KR101107636B1 - 프로세스 의존성 홈 구조를 갖는 화학 기계식 연마 패드 - Google Patents

프로세스 의존성 홈 구조를 갖는 화학 기계식 연마 패드 Download PDF

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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머티리얼스 씨엠피 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

소정 조건 하에서 역혼합이 웨이퍼(204, 234, 264, 304, 408) 또는 다른 물품과 연마층 사이에 발생할 수 있는 역혼합 구역(202, 232, 262, 308, 416, 508)을 포함하는 연마층을 갖는 예를 들면 패드(200, 230, 260, 300) 또는 벨트(400, 500)와 같은 연마 본체가 제공된다. 연마층은 역혼합 구역 내의 제1 홈 구조(206, 236, 266, 312, 428, 504) 및 제1 홈 구조와는 상이한 역혼합 구역 외부의 제2 홈 구조(208, 238, 268, 320, 432, 520)를 구비한다. 제1 홈 구조는 역혼합 구역 내의 소비된 슬러리의 존재가 웨이퍼의 연마에 악영향을 주는 지 이익을 주는 지의 여부에 기초하여 설계된다.
웨이퍼, 홈, 연마 패드, 슬러리

Description

프로세스 의존성 홈 구조를 갖는 화학 기계식 연마 패드{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD HAVING A PROCESS-DEPENDENT GROOVE CONFIGURATION}
도 1은 본 발명에 사용하기에 적합한 2중-축 연마기의 부분의 사시도.
도 2a는 역혼합이 존재하지 않는 슬러리 층의 구역 내의 속도 구배를 도시하는 도 1의 웨이퍼 및 연마 패드의 단면도.
도 2b는 역혼합이 존재하는 슬러리 층의 구역 내의 속도 구배를 도시하는 도 1의 웨이퍼 및 연마 패드의 단면도.
도 3은 연마 패드의 연마층 상의 슬러리 역혼합 구역의 존재를 도시하는 도 1의 연마기의 연마 패드 및 웨이퍼의 평면도.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 소비된 슬러리의 존재가 연마에 악영향을 미치는 CMP 프로세스의 홈 구조를 갖는 본 발명의 회전형 연마 패드의 평면도.
도 5는 연마 부산물이 연마에 이익을 주는 CMP 프로세스의 홈 구조를 갖는 본 발명의 회전형 연마 패드의 평면도.
도 6a는 연마 부산물이 연마에 이익을 주는 CMP 프로세스의 홈 구조를 갖는 본 발명의 연마 벨트의 평면도.
도 6b는 소비된 슬러리의 존재가 연마에 악영향을 주는 CMP 프로세스의 홈 구조를 갖는 본 발명의 연마 벨트의 평면도.
본 발명은 일반적으로 화학 기계식 연마의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 프로세스 의존성 홈 구조를 갖는 화학 기계식 연마 패드에 관한 것이다.
집적 회로 및 다른 전자 디바이스의 제조시에, 다중 도전층, 반도체 및 유전성 재료가 반도체 웨이퍼의 표면 상에 증착되어 그로부터 에칭된다. 얇은 도전층, 반도체 및 유전성 재료는 다수의 증착 기술에 의해 증착될 수 있다. 현대식 웨이퍼 처리에 있어서의 통상의 증착 기술은 또한 스퍼터링으로서 공지된 물리적 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 보강 화학 기상 증착(PECVD) 및 전자 화학 도금을 포함한다. 통상의 에칭 기술은 습식 및 건식 등방성 및 이방성 에칭 등을 포함한다.
재료의 층이 순차적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 웨이퍼의 최상부 표면은 비평탄화된다. 후속의 반도체 처리(예를 들면, 포토리소그래피)는 웨이퍼가 편평한 표면을 갖는 것을 요구하기 때문에, 웨이퍼는 평탄화될 필요가 있다. 평탄화는 바람직하지 않은 표면 형상 뿐만 아니라 거친 표면, 응집된 재료, 결정 격자 손상, 스크래치 및 오염된 층 또는 재료와 같은 표면 결함을 제거하기 위해 유용하다.
화학 기계식 평탄화 또는 화학 기계식 연마(CMP)가 반도체 웨이퍼와 같은 가공편을 평탄화하는데 사용되는 통상의 기술이다. 2중-축 회전형 연마기를 사용하 는 종래의 CMP에서, 웨이퍼 캐리어 또는 연마 헤드가 캐리어 조립체 상에 장착된다. 연마 헤드는 웨이퍼를 유지하고 웨이퍼를 연마기 내의 연마 패드의 연마층과 접촉하여 위치시킨다. 연마 패드는 평탄화되는 웨이퍼의 직경의 2배보다 큰 직경을 갖는다. 연마 중에, 연마 패드 및 웨이퍼 각각은 웨이퍼가 연마층과 결합하는 동안 그의 동심 중심 둘레로 회전한다. 웨이퍼의 회전축은, 패드의 회전이 패드의 연마층 상의 링 형상 "웨이퍼 트랙"을 일소하도록 웨이퍼의 반경보다 큰 거리만큼 연마 패드의 회전축에 대해 편위된다. 웨이퍼 트랙의 폭은 단지 웨이퍼의 이동이 회전 이동일 때에만 웨이퍼의 직경과 동일하다. 그러나, 몇몇 2중-축 연마기에서, 웨이퍼는 그의 회전축에 수직인 평면에서 진동한다. 이 경우, 웨이퍼 트랙의 폭은 진동에 기인하는 변위를 고려하는 양만큼 웨이퍼의 직경보다 크다. 캐리어 조립체는 웨이퍼와 연마 패드 사이에 제어 가능한 압력을 제공한다. 연마 중에, 슬러리 또는 다른 연마 매체가 연마 패드 상으로 및 웨이퍼와 연마층 사이의 갭 내로 유동한다. 웨이퍼 표면은 연마되고 표면 상의 연마층과 슬러리의 화학 및 기계적 작용에 의해 평탄화된다.
CMP 중의 연마층, 연마 슬러리 및 웨이퍼 표면 사이의 상호 작용은 연마 패드 디자인을 최적화하기 위해 연구가 증가되고 있다. 수년간에 걸친 대부분의 연마 패드 개발은 본질적으로 실험적이었다. 연마 표면의 디자인의 다수는 슬러리 이용 및 연마 균일성을 향상시키도록 요구되는 홈의 네트워크 및 보이드의 다양한 패턴을 이들 표면에 제공하는 것에 집중되고 있다. 수년간에 걸쳐, 상당수의 상이한 홈 및 보이드 패턴 및 구조가 구현되어 왔다. 종래의 홈 패턴은 방사상, 동심 원형, 데카르트 그리드 및 나선형 등을 포함한다. 종래의 홈 구조는 모든 홈의 깊이가 모든 홈 사이에서 균일한 구조 및 홈의 깊이가 하나의 홈으로부터 다른 홈으로 다양한 구조를 포함한다.
회전형 CMP 패드의 몇몇 설계자들은 패드의 중심으로부터의 하나 이상의 반경방향 거리에 기초하여 하나의 구조로부터 다른 구조로 변경되는 2개 이상의 구조의 홈을 갖는 패드를 개시하고 있다. 이들 패드는 무엇보다도 연마 균일성 및 슬러리 이용의 견지에서 우수한 성능을 제공하는 것으로 고려된다. 예를 들면, 오스터헬드(Osterheld) 등에 허여된 미국 특허 제6,520,847호에는, 다른 2개의 구역의 구조와는 상이한 홈의 구조를 각각 포함하는 3개의 동심 링 형상 구역을 갖는 다수의 패드가 개시되어 있다. 구조는 상이한 실시예에서 상이한 방식으로 변경된다. 구조가 변경되는 방식은 홈의 수, 단면적, 간격 및 유형의 변동을 포함한다.
패드 설계자들은 지금까지 이러한 패드의 동심 중심으로부터의 하나 이상의 반경방향 거리에 기초하여 서로 상이한 2개 이상의 홈 구조를 포함하는 CMP 패드를 제안하였지만, 이들 디자인은 연마되는 웨이퍼 및 패드의 회전 속도를 직접적으로 고려하지 않는다. 따라서, 적어도 부분적으로는 연마되는 물품의 회전 속도 및 패드가 물품에 대해 이동하는 속도에 기초하여 최적화되는 CMP 연마 패드 디자인에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 제1 양태에서, 제1 회전축 둘레로 소정 제1 회전 속도로 회전하는 물품을 연마하기 위한 연마 패드는, (a) 제1 회전축에 대해 소정 속도로 이동되도록 작동식으로 구성된 연마층을 포함하고, 상기 연마층은, (i) 물품의 소정 제1 회전 속도 및 연마층의 회전 속도의 함수로서 계산된 임계 반경의 0.5 내지 2배에 위치되고, 제1 측면과 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 경계부; (ii) 경계부의 제1 측면 상에 위치되고 제1 구조를 갖는 제1 세트의 홈; 및 (iii) 경계부의 제2 측면 상에 위치되고 제1 구조와는 상이한 제2 구조를 갖는 제2 세트의 홈을 포함한다.
본 발명의 제2 양태에서, 연마층이 제1 회전축에 대해 소정 속도로 회전하는 동안 상기 제1 회전축 둘레로 소정 제1 회전 속도로 회전하는 물품을 연마하기 위한 연마층을 갖는 연마 패드 제조 방법은, (a) 상기 물품의 소정 제1 회전 속도 및 상기 연마층의 소정 속도의 함수로서 계산된 임계 반경의 0.5 내지 2배인 상기 연마층 상의 경계부의 위치를 결정하는 단계; (b) 상기 경계부의 제1 측면 상의 연마층에 제1 구조의 제1 세트의 홈을 제공하는 단계; 및 (c) 상기 제1 측면에 대향하는 경계부의 제2 측면 상에 상기 제1 구조와는 상이한 제2 구조의 제2 세트의 홈을 제공하는 단계를 포함한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 사용하기에 적합한 2중-축 화학 기계식 연마(CMP) 연마기(100)를 도시한다. 연마기(100)는 일반적으로 슬러리(116) 또는 다른 연마 매체의 존재하에 가공편의 연마면의 연마를 실행하기 위해 반도체 웨이퍼(112)(가공 또는 미가공)와 같은 물품 또는 글래스, 평면 패널 디스플레이 또는 자기 정보 저장 디스크 등과 같은 다른 가공편과 결합하기 위한 연마 층(108)을 갖는 연마 패드(104)를 포함한다. 편의를 위해, 용어 "웨이퍼" 및 "슬러리"는 보편성의 손실 없이 이하에 사용된다. 게다가, 청구범위를 포함하는 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "연마 매체" 및 "슬러리"는 무연마제(abrasive-free) 및 반응성 액체 연마액을 배제하는 것은 아니다.
이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 연마 패드에 의해 수행될 수 있는 CMP 프로세스의 유형에 의존하는 홈 구조를 갖는 연마 패드(104)를 제공하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 웨이퍼(112)와 연마 패드(104) 사이의 소비된 슬러리(116)의 존재가 연마에 악영향을 미치면, 패드는 가장 영향을 받는 구역 내의 특정 홈 구조를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 소비된 슬러리 내에 존재하는 하나 이상의 연마 부산물이 연마에 이익을 주면, 연마 패드(104)는 영향 받는 구역에서 상이한 홈 구조를 포함할 수도 있다. 각각의 홈 구조의 디자인은, 웨이퍼의 회전 방향이 일반적으로 연마 패드의 회전 방향에 대향하는 웨이퍼(112)와 연마 패드(104) 사이의 구역에서의 슬러리(116) 내의 "역혼합(backmixing)"의 발생에 기초한다.
일반적으로, 역혼합은, 패드와 웨이퍼 사이의 슬러리의 속도 또는 그의 성분이 연마 패드의 접선 속도에 대해 대향 방향에 있고 충분히 큰 크기를 가질 때 연마 패드(104)와 웨이퍼(112) 사이의 슬러리(116) 내에 발생할 수 있다. 웨이퍼(112)의 영향 밖에 있는 연마층(108) 상의 슬러리(116)는 일반적으로 정상 상태에서의 연마 패드(104)와 동일한 속도에서 회전한다. 그러나, 슬러리(116)가 웨이퍼(112)의 연마된 표면(120)과 접촉할 때, 슬러리와 연마된 표면의 상호 작용에 기인 하는 접착력, 마찰력 및 다른 힘이 웨이퍼의 회전 방향으로 슬러리를 가속시킬 수 있다. 물론, 가속은 슬러리(116)와 웨이퍼(112)의 연마된 표면(120) 사이의 계면에서 가장 현저할 수 있고, 가속은 연마된 표면으로부터 측정될 때 슬러리 내의 증가하는 깊이에 의해 감소된다. 가속의 감소율은 그의 동적 점성과 같은 슬러리(116)의 다양한 특성에 의존할 수 있다. 이 현상은 "경계층"으로서 칭해지는 유체 역학의 확립된 양태이다.
연마기(100)는 그 상에 연마 패드(104)가 장착되는 플래튼(platen)(124)을 포함할 수도 있다. 플래튼(124)은 플래튼 구동기(도시 생략)에 의해 회전축(128) 둘레로 회전 가능하다. 웨이퍼(112)는 플래튼(124)의 회전축(128)에 평행하고 그로부터 이격된 회전축(136) 둘레로 회전 가능한 웨이퍼 캐리어(132)에 의해 지지될 수 있다. 웨이퍼 캐리어(132)는, 웨이퍼(112)가 연마층(108)에 대해 매우 약간 비평행한 자세를 취하도록 하는 짐벌식 연동 장치(gimbaled linkage;도시 생략)를 특징으로 할 수 있고, 이 경우 회전축(128, 136)은 매우 약간 경사질 수도 있다. 웨이퍼(112)는 연마층(108)에 대면하고 연마 중에 평탄화되는 연마된 표면(120)을 구비한다. 웨이퍼 캐리어(132)는 웨이퍼(112)를 회전하도록 적용된 캐리어 지지 조립체(도시 생략)에 의해 지지되고 연마된 표면(12)을 연마층(108)에 대해 가압하는 하향력(F)을 제공하므로 소정의 압력이 연마 중에 연마된 표면과 연마층 사이에 존재할 수 있다. 연마기(100)는 또한 연마층(108)에 슬러리(116)를 공급하기 위한 슬러리 입구(140)를 구비할 수 있다.
당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 연마기(100)는 시스템 제어기, 슬러리 저장 및 분배 시스템, 가열 시스템, 헹굼 시스템 및 (1) 웨이퍼(112) 및 연마 패드(104)의 회전 속도 중 하나 또는 모두를 위한 속도 제어기 및 선택기; (2) 패드로의 슬러리(116)의 이송의 속도 및 위치를 변경하기 위한 제어기 및 선택기; (3) 웨이퍼와 패드 사이에 인가된 힘(F)의 크기를 제어하기 위한 제어기 및 선택기, 및 (4) 패드의 회전축(128)에 대한 웨이퍼의 회전축(136)의 위치를 제어하기 위한 제어기, 액추에이터 및 선택기 등과 같은 연마 프로세스의 다양한 양태를 제어하기 위한 다양한 제어부와 같은 다른 부품(도시 생략)을 포함할 수도 있다. 당 기술 분야의 숙련자들은 이들의 상세한 설명이 본 발명의 이해 및 실시를 위해 당 기술 분야의 숙련자들에게 필요하지 않도록 어떠한 방식으로 이들 부품을 구성하고 구현하는 지를 이해할 수 있을 것이다.
연마 중에, 연마 패드(104) 및 웨이퍼(112)는 이들의 각각의 회전축(128, 136) 둘레로 회전하고, 슬러리(116)는 슬러리 입구(140)로부터 회전하는 연마 패드 상에 분배된다. 슬러리(116)는 웨이퍼(112) 및 연마 패드(104) 하부의 갭을 포함하는 연마층(108)의 상으로 확산된다. 연마 패드(104) 및 웨이퍼(112)는 통상적으로, 그러나 필수적이지는 않게 0.1rpm 내지 150rpm 사이의 선택된 속도로 회전한다. 힘(F)은 통상적으로, 그러나 필수적이지는 않게 웨이퍼(112)와 연마 패드(104) 사이에 0.1psi 내지 15psi(6.9 내지 103kPa)의 소정 압력을 유도하도록 선택된 크기이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 패드가 사용될 수 있는 각각의 연마 프로세스를 최적화하기 위해 연마 패드 또는 연마되는 웨이퍼, 또는 양자 모두의 회전 속도 의 고려하에 설계된 홈 구조를 갖는 연마 패드를 포함한다. 일반적으로, 다양한 홈 구조의 디자인은 역혼합이 상술한 조건 하에서 발생할 수 있는 연마층(108)의 역혼합 구역 내외의 슬러리(116)의 거동에 기초한다. 역혼합은 연마 속도, 즉 소정 지점에서의 웨이퍼(112)의 연마된 표면(120)으로부터의 재료의 제거 속도가 슬러리(116) 내의 활성 화학 성분의 농도에 기초하고 역혼합 구역은 미역혼합 구역과는 상이한 정상 상태 활성 화학 성분 농도를 가질 수 있기 때문에 CMP에 관련된다.
역혼합의 개념을 예시하기 위해, 도 2a는 역혼합이 존재하지 않는 조건 하에서의 웨이퍼(112)와 패드 사이의 슬러리(116)의 접선 속도[연마 패드(104)에 대한]의 속도 구배를 도시한다. 속도 구배(144)에 도시된 웨이퍼(112)의 회전 방향은 일반적으로 연마 패드(104)의 회전 방향과 동일하지만, 웨이퍼에 근접한 슬러리에서의 웨이퍼 속도(Vsw)의 크기는 연마 패드에 근접한 슬러리에서의 접선 속도(Vsp)보다 낮다. 정상 상태에 도달하면, 웨이퍼(112)에 바로 인접한 및 연마 패드(104)에 바로 인접한 슬러리의 속도들(Vsw, Vsp)의 차이는, 실질적으로 고려 하의 웨이퍼 및 패드의 각각의 지점에서 접선 패드 속도(Vpad)에서 접선 웨이퍼 속도(Vwafer)를 감산한 값에 대응한다.
한편, 도 2b는 역혼합을 생성하는 조건 하에서 웨이퍼(112)와 패드 사이의 슬러리(116)에서의 또한 연마 패드(104)에 대한 접선 속도의 속도 구배(148)를 도시한다. 여기서, 접선 웨이퍼 속도(V'wafer)는 접선 패드 속도(V'pad)에 대향 방향이 고, 접선 패드 속도(V'pad)의 크기보다 큰 크기를 갖는다. 따라서, 차이 V'pad - V'wafer는 연마 패드(104)에 인접한 슬러리 내의 속도(V'sp)에 대향하는 방향에 있는 웨이퍼(112)에 인접한 슬러리(116) 내의 속도(V'sw)에 의해 지시되는 바와 같이 음의 값이다. 속도들(V'sw, V'sp)이 서로 대향하면, 역혼합이 발생하는 것으로 고려되는데, 슬러리(116)의 상부 부분이 웨이퍼(112)에 의해 "역방향", 즉 적어도 부분적으로는 연마 패드(104) 및 패드에 근접한 슬러리의 이동 방향에 대향하는 방향으로 축출되기 때문이다.
도 3을 참조하면, 역혼합은 역혼합이 존재하지 않을 때 신선한 슬러리의 주입에 대한 역혼합 구역(152) 내의 웨이퍼(112)와 연마 패드(104) 사이의 갭 내로의 신선한 슬러리의 주입을 늦춘다. 유사하게, 역혼합이 존재하면, 소비된 슬러리는 역혼합이 존재하지 않을 때보다 갭 내의 더 긴 체류 시간을 갖는데, 이는 역혼합이 연마 패드(104)가 이동하는 방향에 대해 역방향으로 소비된 슬러리의 일부를 축출하기 때문이다. 당 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 수 있는 바와 같이, CMP의 제거 속도는 통상적으로 이하의 "프레스톤(Preston)"식으로 설명된다.
Figure 112004058204614-pat00001
이는 웨이퍼(112)의 연마된 표면으로부터의 재료의 제거 속도가 웨이퍼와 패드 사이의 상대 속도(Vpad-wafer), 웨이퍼와 패드 사이의 압력(P), 화학 작용에 의한 웨이퍼 로부터의 재료의 제거에 관한 파라미터(Kchem), 및 기계적 작용에 의한 웨이퍼 재료의 제거에 관한 파라미터(Kmech)의 함수로서 표현한다. 역혼합이 존재하면, 화학종의 농도는 웨이퍼(112)의 하부의 상이한 위치에서 상이하여, 웨이퍼(112)를 가로지르는 불균일 연마 속도를 초래한다.
컴퓨터 계산 유체 역학 시뮬레이션은, 웨이퍼(112)의 선단 에지(156)에서[연마 패드(104)의 회전에 대한] 역혼합 구역(152)에 진입하려고 시도하는 슬러리가 연마 패드 내의 홈(도시 생략)이 패드 회전과 정렬되는 영역에서 더 강하게 축출된다는 것을 나타낸다. 연마층(108)의 "돌기(asperities)" 또는 표면 질감부 사이에 유지되어, 홈 사이의 랜드 영역에서의 슬러리가 홈 내의 슬러리보다 더 효과적으로 웨이퍼(112)의 역방향 이동의 드래그에 대해 연마 패드(104)의 회전에 의해 이송된다. 웨이퍼(112) 하부에 주입되어 소비된 슬러리를 대체하는 신선한 슬러리의 일시적인 시뮬레이션은 다른 위치보다 역혼합 구역(152)에서 훨씬 더 긴 홈 내의 혼합 역상승 기류(wake)를 나타낸다.
패드-웨이퍼 갭 내의 유동 패턴에 대한 이론적인 유체 역학(나비어-스톡스)식을 풀면 2개의 파라미터: (1) 연마 패드(104)의 회전축(128)과 웨이퍼(112)의 회전축(136) 사이의 이격 거리(S), 및 (2) 패드 및 웨이퍼의 회전 속도(Ωpad, Ωwafer)의 비에 대한 역혼합 구역(152)의 정도와 관련된 식이 유도된다. 웨이퍼 반경(Rwafer)에 대해서, 연마 패드(104) 및 웨이퍼(112)의 회전 속도(Ωpad, Ωwafer )가,
Figure 112004058204614-pat00002
이면, 수학식 3에 의해 정의된 원(158) 내의 부분에서 발생하는 슬러리 역혼합은,
Figure 112004058204614-pat00003
웨이퍼의 주위 내에 놓인다. 연마 패드(104)가 회전함에 따라, 수학식 3에 의해 정의된 원(158)은 그 내부에서 패드가 웨이퍼(112)의 하부의 역혼합 구역을 통과하는 원(160)을 일소한다. 원(160)의 외부에서, 패드는 웨이퍼(112) 하부의 역혼합 구역을 통과하지 않는다. 원(160)의 임계 반경은,
Figure 112004058204614-pat00004
이다. 이격 거리(S)는 통상적으로(필수적인 것은 아님) CMP 연마기 상에 대략적으로 고정되지만, 이격 거리(S)의 10% 편차보다 작은 양의 웨이퍼(112)의 작은 측면-대-측면 진동이 종종 존재한다. 따라서, 일반적으로, 소정의 연마기에서 그 하부에 역혼합이 발생하는 임계 패드-대-웨이퍼 회전비가 존재할 수 있다. 대응적으 로, 역혼합 한계 이하인 소정의 패드-대-웨이퍼 회전비에서, 역혼합 구역(152)과 비역혼합 구역(164) 사이의 경계부(160)를 일반적으로 규정하는 연마 패드(104)의 회전축(128)으로부터 측정된 임계 반경(Rcritical)이 있을 수 있다. 경계부(160) 내에서, 대체가 요구되는 경우 소비된 슬러리를 신선한 슬러리로 대체하는 것이 불균형하게 어렵고 대체가 요구되는 경우 연마 부산물을 제거하는 것이 불균형하게 어려울 수 있다. 웨이퍼(112)가 회전에 부가하여 측방향으로 진동할 때, 2개의 임계 반경(도시 생략)이 존재한다는 것을 주목하라. 이들 임계 반경은 연마 패드(104)에 대한 반경방향에서 웨이퍼(112)의 진동의 2개의 극단에 대응한다. 수학식 4를 사용하여 계산된 임계 반경의 0.5 내지 2배인 Rcritical을 제공하면 연마 성능이 향상된다. 바람직하게는, Rcritical은 수학식 4를 사용하여 계산된 임계 반경의 0.75 내지 1.5배이다. 가장 바람직하게는, Rcritical은 수학식 4를 사용하여 계산된 임계 반경의 0.9 내지 1.1배이다.
일반적으로, 연마 성능에 대한 역혼합의 영향은 연마되는 재료 및 슬러리 화학 성분에 따라 바람직하거나 바람직하지 않을 수도 있다. 다수의 프로세스에서, 웨이퍼(112)의 연마된 표면(120)(도 1)으로부터의 재료의 제거 속도는 불균일성을 증가시키기 위해 소비된 슬러리의 존재하에 감소될 수 있고, 연마 부스러기가 더 늦게 갱신된 구역에 축적될 수 있어, 증가된 결함(예를 들면, 거시적 스크래치)의 가능성이 증가한다. 그러나, 다른 프로세스, 예를 들면 구리의 CMP는 연마 부산물의 최소 농도가 연마를 수행하는데 필요한 화학 반응의 일부 또는 전부를 유지하도 록 존재할 때 향상될 수 있는 동역학을 경유하여 진행된다. 이들 프로세스에서, 임의의 역혼합의 부재는 연마 화학 반응을 방해할 수 있고 역혼합 한계 이하의 훨씬 더 낮은 제거 속도에서 명시될 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 역혼합이 상술한 조건 하에서 발생할 수 있는 역혼합 구역(152) 내의 연마층(108)에 제1 홈 구조를 제공하고, 선택적으로 역혼합이 통상적으로 발생하지 않는 비역혼합 구역(165)에 연마층의 제2 홈 구조를 제공하는 것을 포함한다. 이하에 설명되는 바와 같이, 본 발명은 또한 예를 들면 웨이퍼(112)의 고려된, 또는 소정 회전 속도(Ωwafer) 및 패드의 고려된, 또는 소정 속도, 예를 들면 회전 속도(Ωpad)의 함수로서, 연마 패드의 역혼합 구역, 예를 들면 회전 연마 패드(104)의 역혼합 구역(152)의 위치를 결정하는 방법을 제공한다.
연마 부산물의 저속의 또는 불완전한 제거에 의해 손상 받는 프로세스에서, 본 발명은 패드 또는 웨이퍼(112)의 이동 또는 양자 모두가 역혼합 구역으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 용이하게 하기 위해 작용하도록 역혼합 구역으로부터의 유출에 대한 비교적 낮은 저항을 갖는 슬러리를 제공하는 복수의 홈을 포함하는 제1 홈 구조(도시 생략)를 구비하는 연마 패드(104)의 역혼합 구역(152) 내에 연마층(108)을 제공하는 것을 포함한다. 제1 홈 구조의 홈은 무엇보다도, 이들의 수, 종방향 형상, 배향 또는 단면적, 또는 이들의 조합에 의해 이러한 낮은 유동 저항을 성취할 수도 있다. 비역혼합 구역(164)은 제1 홈 구조와는 상이한 제2 홈 구조(도시 생략)를 선택적으로 포함한다. 제2 홈 구조는 무엇보다도 수, 종방향 형상, 배향, 단면적 및 이들의 조합 중 임의의 하나 또는 그 이상에서 제1 홈 구조의 홈과는 상이한 복수의 홈을 포함할 수 있다. 제2 홈 구조는 설계자에 의해 선택된 임의의 하나 이상의 목적을 성취하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 제2 홈 구조는 무엇보다도 비교적 높은 슬러리 유동 저항, 우수한 슬러리 이용 능력 및 향상된 슬러리 분포를 갖는 비역혼합 구역(164)을 제공할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c는 각각의 역혼합 구역(202, 232, 262) 내의 소비된 슬러리의 존재가 대응 웨이퍼(204, 234, 264)의 연마에 악영향을 미치는 프로세스에 있어서의 본 발명에 따라 설계된 다양한 홈 구조를 포함하는 예시적인 회전형 연마 패드(200, 230, 260)를 도시한다. 도 4a는 제1 홈 구조(206) 및 제2 홈 구조(208)가 연마층(214)의 각각의 구역 내의 홈(210, 212)의 종방향 형상 및 배향에 의해 주로 서로 상이한 본 발명의 연마 패드(200)를 도시한다. 역혼합 구역(216) 내의 제1 홈 구조(206)의 홈(210)은 직선형이고 연마 패드(200)의 중심으로부터 외향으로 방사될 수 있다. 이 구조는 웨이퍼의 역회전의 영향을 감소시키고 포지티브 변위 펌프 또는 컨베이어의 방식으로 슬러리를 이동시키는 패드 회전의 방향에 횡단하는 채널을 제공함으로써 역혼합 구역(216)으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 향상시킨다.
한편, 비역혼합 구역(218)의 제2 홈 구조(208)의 홈(212)은 제1 홈 구조(206)의 홈(210)의 종방향 형상 및 배향 이외의 임의의 종방향 형상 또는 임의의 배향, 또는 양자 모두를 가질 수도 있다. 본 예에서, 홈(212)는 연마 패드(200)의 디자인 회전 방향에서 일반적으로 만곡된 만곡형 종방향 형상과 같은 직선형 및 방사상 이외의 임의의 종방향 형상 및 배향을 가질 수도 있다. 이러한 홈 구조는 역혼합 구역(218) 내의 슬러리의 방사상 유동을 늦추고 연마 패드(200) 상의 슬러리의 체류 시간을 증가시키는 경향이 있다. 물론, 홈(212)은 몇가지 예로서 원형, 파형 또는 지그재그와 같은 임의의 수의 종방향 형상 중 임의의 하나를 가질 수도 있고, 무엇보다도 그리드 패턴 또는 패드 회전 방향에 반대인 반경방향으로 연장하는 것과 같은 연마 패드(200)에 대한 다수의 다른 배향 중 임의의 하나를 가질 수도 있다. 또한, 당 기술 분야의 숙련자들은 종방향 형상 및 배향의 다수의 변형이 제1 및 제2 홈 구조(206, 208)의 각각의 하나의 홈(210, 212)에 대해 존재한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
제1 홈 구조(206)의 하나 이상의 홈(210)이 제2 홈 구조(208)의 하나 이상의 대응 홈(212)에 연결되면, 연마층(214)은 이러한 연결이 발생하는 전이 구역(220)을 포함할 수도 있다. 전이 구역(220)은 일반적으로 전이를 위해 필요한 임의의 폭(W)을 가질 수도 있다. 제1 및 제2 구조(206, 208)에 따라, 전이 구역(220)의 폭(W)은 급격한 전이에 대해 0일 수도 있다. 상술한 바와 같이, 역혼합 구역(216)의 외부 경계부(220)는 상술한 수학식 4 및 고려 하의 연마기의 패드-대-웨이퍼 회전비 및 이격 거리(S)(도 3)에 의해 결정될 수도 있는 하나 또는 2개의 임계 반경(Rcritical)[웨이퍼(204)가 회전에 부가하여 진동하는 지의 여부에 따라]에 의해 규정될 수도 있다.
도 4b는 제1 홈 구조(236)가 각각의 그룹 내의 홈(240, 242)의 수에 의해 주로, 뿐만 아니라(선택적으로) 종방향 형상 및 배향에 있어서 제2 홈 구조(238)와 상이한 본 발명의 연마 패드(230)를 도시한다. 제1 홈 구조(236) 내의 각각의 홈(240)은, 필수적인 것은 아니지만, 제2 홈 구조(238) 내의 각각의 홈(242)과 실질적으로 동일한 횡단면 형상 및 면적을 가질 수도 있다. 도시된 실시예에서, 제1 홈 구조(236)는 제2 홈 구조(238) 내의 홈(242)의 수의 2배의 홈(240)의 수를 갖는다. 따라서, 홈(240, 242)의 각각의 횡단면적이 서로 동일할 때, 제1 홈 구조(236)는 역혼합 구역(232)으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 보조하도록 제2 홈 구조(238)의 2배의 유동 채널 영역을 제공한다. 또한 제1 홈 구조(236)의 홈(240)의 일반적으로 반경방향 배향 및 연마 패드(230)의 디자인 회전 방향에 일반적으로 대향하는 방향에서의 이들의 곡률은 또한 역혼합 구역(232)으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 보조할 수도 있다. 전이 구역(246)은 일반적으로 역혼합 구역(232)의 외부 경계부(248)를 포함하고, 제2 홈 구조(238)의 홈(242) 중 대응하는 각각의 것들에 제1 홈 구조(236)의 인접한 홈(240)의 쌍들을 연결하는 분기형 홈 세그먼트(250)를 수용하는 폭(W')을 갖는다.
도 4c는 각각의 홈(270, 272)의 단면적에 의해 주로 역혼합 구역(262)의 외부의 제2 홈 구조(268)와는 상이한 역혼합 구역(262) 내의 제1 홈 구조(266)를 갖는 본 발명의 연마 패드(260)를 도시한다. 제1 홈 구조(266)의 홈(270)는 제2 홈 구조(268)의 그룹(272)과 마찬가지로 직선형 및 방사상이고 제2 홈 구조의 홈과 동일한 깊이를 갖지만, 제1 홈 구조 내의 각각의 홈은 제2 홈 구조의 각각의 홈보다 넓다. 따라서, 제1 홈 구조(266)는 제2 홈 구조(268)의 채널 유동 영역보다 큰 채널 유동 영역을 제공한다. 역혼합 구역(262) 내의 더 큰 채널 유동 영역은, 제1 및 제2 홈 구조(266, 268)의 홈(270, 272)이 서로 동일한 횡단면적을 갖는 경우 발생할 수 있는 역혼합 구역으로부터의 소비된 슬러리의 제거에 대한 역혼합 구역으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 향상한다. 도시된 실시예에서, 천이 구역(274)은 역혼합 구역(262)의 외부 경계부(276)를 포함하고, 홈(270, 272)의 대응하는 각각의 것들 사이의 횡단면 영역에서 점진적인 전이부(278)를 수용하는 폭(W")을 갖는다.
도 4a 내지 도 4c는 소비된 슬러리의 존재가 연마에 악영향을 줄 수 있는 프로세스에 대해 설계된 다양한 연마 패드(200, 230, 260)를 도시하는 반면, 도 5는 하나 이상의 연마 부산물이, 예를 들면 웨이퍼(304)로부터의 재료의 제거를 위해 필요한 화학 작용의 일부 또는 전부를 유지하는 것과 같이 연마에 이익을 주는 프로세스에 대해 설계된 연마 패드(300)를 도시한다. 구리의 CMP는 연마 부산물의 존재로부터 이익을 얻을 수 있는 프로세스의 주목할만한 예이다. 하나 이상의 연마 부산물이 연마에 이익을 줄 때, 소비된 슬러리 내의 부산물(들)이 연마에 이용 가능한 시간을 연장하기 위해 역혼합 구역(308) 내의 "소비된" 슬러리의 체류 시간을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이를 성취하기 위한 일 방법은 역혼합 구역으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 억제하는 홈(316)을 갖는 제1 홈 구조(312)를 구비하는 역혼합 구역(308)을 제공하는 것이다. 연마 패드(300)의 회전 방향에서 만곡된 실질적으로 접선 방향 홈(316)이 역혼합 구역(308)으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 억제하는 홈 구조를 제공한다. 물론, 다른 억제 홈 구조가 가능하다.
소비된 슬러리의 존재가 연마에 악영향을 주는 프로세스와 관련하여 상술된 제2 홈 구조(208, 238, 268)와 유사하게, 역혼합 구역(308)의 외부의 제2 홈 구조(320)는 도시된 일반적으로 방사상, 만곡형 구조와 같은 제1 홈 구조(312) 이외의 임의의 적합한 구조일 수도 있다. 도시된 실시예에서, 전이 구역(324)은 역혼합 구역(308)의 외부 경계부(328)를 포함하고, 제1 홈 구조(312)의 홈(316)과 제2 홈 구조(320)의 홈(336) 사이에 전이부를 제공하는 홈 세그먼트(332)를 수용하는 폭(W"')을 갖는다. 제1 및 제2 홈 구조(312, 320)는 각각의 홈(316, 336)의 종방향 형상 및 배향에서 주로 상이한 것으로 도시되어 있지만, 홈들은 소비된 슬러리가 연마에 악영향을 줄 수 있는 프로세스에 대해 설계된 도 4a 내지 도 4c의 연마 패드(200, 230, 260)와 연관하여 상술된 방식과 유사한 방식으로, 무엇보다도 수 및 단면적, 또는 양자 모두에 의해서와 같이 부가적 또는 대안적인 방식으로 상이할 수도 있다.
본 발명은 회전형 연마기의 개념에서 상술되었지만, 당 기술 분야의 숙련자들은 선형 벨트 연마기와 같은 다른 유형의 연마기의 개념에 본 발명이 적용될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 6a는 연마층이 웨이퍼의 회전축에 대해 선형 속도(Ubelt)로 이동하는 동안 슬러리(도시 생략) 또는 다른 연마 매체의 존재하에 연마층과 일반적으로 접촉하는 회전축(412) 둘레로 회전 속도(Ω'wafer)로 회전하는 웨이퍼(408) 또는 다른 물품을 연마하기 위해 작동식으로 구성된 연마층 (404)을 갖는 본 발명의 연마 벨트(400)를 도시한다.
슬러리의 역혼합은 웨이퍼의 접선 속도의 성분이 연마 벨트의 선형 속도(Ubelt)에 대향하는 방향에 있고 웨이퍼의 회전 속도(Ω'wafer)가 Ω'wafer critical 보다 큰 웨이퍼(408)의 부분 하부에서 발생할 수 있고, 여기서
Figure 112004058204614-pat00005
따라서, 웨이퍼(408)의 회전 속도(Ω'wafer) 및 웨이퍼의 반경(R'wafer)(이들 모두는 통상적으로 미리 결정됨)에 대한 연마 벨트(400)의 선형 속도(Ubelt)의 비에 따라, 연마층(404)은 역혼합이 발생할 수 있는 역혼합 구역(416) 및 역혼합이 통상적으로 발생하지 않는 비역혼합 구역(420)을 가질 수 있다.
일반적으로, 역혼합 구역(416)과 비역혼합 구역(420) 사이의 경계부(424)의 위치는 수학식 6에 의해 제공되는 웨이퍼(408)의 중심으로부터 벨트의 폭을 가로질러 측정된 거리(R'critical)에 놓인다.
Figure 112004058204614-pat00006
따라서, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5의 회전형 연마 패드(200, 230, 260, 300)와 마찬가지로, 도 6a의 연마 벨트(400)는 비역혼합 구역(420) 내의 제2 홈 구조(432)와는 하나 이상의 관점에서 상이한 역혼합 구역(416) 내의 제1 홈 구조(428)를 가질 수도 있다. 게다가, 상술한 회전형 연마 패드에서와 같이, 연마 벨트(400)의 제1 홈 구조(428)는 연마 프로세스의 유형에 특히 적합하도록 설계될 수도 있다. 이와 관련하여, 도 6a는 연마가 역혼합 구역 내의 연마 부산물의 존재로부터 이익을 얻는 프로세스에 대해 설계된 제1 홈 구조(428)를 갖는 본 발명의 연마 벨트(400)를 도시한다. 이 경우, 회전형 연마 패드에서와 같이, 역혼합 구역으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 지연시키는 홈(436)을 갖는 역혼합 구역(416)을 제공하는 것이 바람직하다. 이 목적에 적합한 홈은 비교적 넓고 일반적으로 종방향 경계부(424)에 대해 비교적 작은 각도로 배향된 것으로 도시된 홈(436)을 포함한다. 도 4c의 유사 홈 구조와는 대조적으로, 도 6a에 지시된 벨트 이동의 방향에서 사용될 때의 홈(436)의 배향은 연마 벨트(400)의 에지의 외향으로의 슬러리의 유동에 저항한다. 다른 홈은 무엇보다도 경계부(424)에 평행한 홈을 포함한다. 제2 홈 구조(432)는 제1 홈 구조(428)의 구조 이외의 홈(440)의 임의의 구조를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 홈(440)은 도시된 바와 같이 비교적 좁고 각형성될 수도 있다. 또한, 홈(440)은 특정 디자인에 적합하도록 파형, 지그재그형 또는 만곡형 등과 같은 다른 형상일 수도 있다. 상술한 회전형 연마 패드와 마찬가지로, 제2 홈 구조(432)의 홈(440)은 이하의 방식, 즉 수, 단면적, 종방향 형상 및 종방향 경계부(424)에 대한 배향 등 중 임의의 하나 또는 그 이상에서 제1 홈 구조(428)의 홈(436)과는 상이할 수 있다. 게다가, 연마 벨트(400)는 경계부(424)를 포함하는 전이 구역(444)을 구비하고 홈(436)과 홈(440) 사이에 전이부(448)를 포함하기에 적합한 폭(W"")을 가질 수도 있다.
한편, 도 6b는 역혼합 구역(508) 내의 소비된 슬러리의 존재가 연마에 악영향을 줄 수 있는 프로세스에 대해 설계된 역혼합 구역(508) 내의 제1 홈 구조(504)를 갖는 본 발명의 연마 벨트(500)를 도시한다. 따라서, 제1 홈 구조(504)의 홈(512)은 웨이퍼의 역회전의 영향을 감소시키고 포지티브 변위 펌프 또는 컨베이어의 방식으로 슬러리를 이동시키는 벨트 이동의 방향에 횡단하는 채널을 제공함으로써 역혼합 구역(508)으로부터의 소비된 슬러리의 제거를 향상하기 위해 구성된다. 다수의 다른 구조가 가능하다. 제2 홈 구조(520)는 회전형 연마 패드(200, 230, 260, 300) 및 연마 벨트(400)와 관련하여 상술된 라인을 따라 제1 홈 구조(504) 이외의 임의의 구조일 수도 있다.
본 발명은 적어도 부분적으로는 연마되는 물품의 회전 속도 및 패드가 물품에 대해 이동하는 속도에 기초하여 최적화되는 CMP 연마 패드 디자인에 대한 요구를 충족시킨다.

Claims (5)

  1. 제1 회전축 둘레로 소정 제1 회전 속도로 회전하는 물품을 연마하기 위한 연마 패드에 있어서,
    (a) 상기 제1 회전축에 대해 소정 속도로 이동되도록 작동식으로 구성된 연마층을 포함하고,
    상기 연마층은,
    (i) 상기 물품의 소정 제1 회전 속도 및 상기 연마층의 회전 속도의 함수로서 계산된 임계 반경의 0.5 내지 2배에 위치되고, 제1 측면과 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖는 경계부;
    (ii) 상기 경계부의 제1 측면 상에 위치되고 제1 구조를 갖는 제1 세트의 홈; 및
    (iii) 상기 경계부의 제2 측면 상에 위치되고 상기 제1 구조와는 상이한 제2 구조를 갖는 제2 세트의 홈을 포함하는 연마 패드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연마층은 원형 형상이고 소정 방향으로 제2 회전축 둘레로 회전 가능하고, 상기 연마층의 소정 속도는 상기 제2 회전축 둘레의 소정 제2 회전 속도인 연마 패드.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 세트의 홈은 상기 제2 회전축에 근접하여 위치되고 상기 소정 방향에 접선 방향인 홈을 포함하는 연마 패드.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 세트의 홈은 상기 제2 회전축에 근접하여 위치되고 상기 연마층에 대해 반경방향인 홈을 포함하는 연마 패드.
  5. 연마층이 제1 회전축에 대해 소정 속도로 회전하는 동안 상기 제1 회전축 둘레로 소정 제1 회전 속도로 회전하는 물품을 연마하기 위한 연마층을 갖는 연마 패드 제조 방법에 있어서,
    (a) 상기 물품의 소정 제1 회전 속도 및 상기 연마층의 소정 속도의 함수로서 계산된 임계 반경의 0.5 내지 2배인 상기 연마층 상의 경계부의 위치를 결정하는 단계;
    (b) 상기 경계부의 제1 측면 상의 연마층에 제1 구조의 제1 세트의 홈을 제공하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 측면에 대향하는 경계부의 제2 측면 상에 상기 제1 구조와는 상이한 제2 구조의 제2 세트의 홈을 제공하는 단계를 포함하는 연마 패드 제조 방법.
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