KR101587781B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 정반과; 상기 웨이퍼가 상기 연마 정반과 접촉하면서 연마하는 공정 중에 상온보다 높은 온도로 조절된 슬러리를 화학 기계적 연마 공정의 일부 이상에 상기 웨이퍼와 상기 연마 정반 중 어느 하나 이상에 공급하는 슬러리 공급부를; 포함하여 구성되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
화학기계적 연마(CMP) 장치(1)는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.
이러한 화학 기계적 연마(CMP) 장치(1)는, 도1에 도시된 바와 같이 연마 헤드(20)는 연마공정 중에 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 정반(10)의 연마 패드(11)와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전(20d)시키고, 동시에 연마 패드(11)도 정반 몸체(12)와 함께 자전(11d)하면서 기계적 연마 공정을 행하도록 한다. 동시에 연마 패드(11) 상에 슬러리 공급부(30)의 공급구(32)로부터 슬러리가 연마 패드(11) 상에 공급되면, 슬러리가 웨이퍼(W)로 유입되면서 웨이퍼(W)의 화학적 연마 공정이 행해진다.
이와 동시에, 컨디셔너(40)의 컨디셔닝 디스크는 하방 가압하면서 회전(40d)하고 그 아암(41)이 정해진 각도를 왕복(41d)하면서 연마 패드(11)의 표면을 개질한다.
웨이퍼(W)에 적층되는 연마층은 텅스텐 등의 금속막이나 산화막 등 다양한 소 재로 형성된다. 그러나, 연마층의 종류에 관계없이 도3에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계(A1)에서는 연마 시간의 경과에도 불구하고 연마 두께(79)가 거의 변동하지 않으며, 일정한 시간(T1)이 경과한 이후의 주(主)연마 단계(A2)에 도달해서야 비로소 화학 기계적 연마 공정에 따른 연마량(89)이 증가하기 시작하여 최종 연마두께(dx)에 도달한다는 것이 실험적으로 확인되었다.
그러나, 초기 단계(A1)에 소요되는 시간(T1)은 전체 연마 시간(Te)의 2/5 내지 1/2 정도로 오랜 시간을 차지하므로, 정해진 시간 내에 화학 기계적 연마 공정을 행하는 생산성이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 초기 단계(A1)에서 소요되는 시간(T1)이 길어짐에 따라, 단위 웨이퍼에 대한 화학 기계적 연마 시간을 단축하기 위하여, 주연마 단계(A2)에서 단위 시간당 연마량을 크게 제어하게 되므로, 웨이퍼 연마면의 연마 두께를 판면에 걸쳐 정교하게 제어하지 못하는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 단위 시간당 연마량이 작은 초기 단계에 소요되는 시간을 단축함으로써, 전체적인 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 줄여 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은, 동일한 시간 동안에 화학 기계적 연마 공정을 행할 경우에 단위 시간당 연마량을 더 작게 할 수 있으므로, 웨이퍼의 연마면의 두께 편차를 줄여 보다 정교한 두께 조절을 가능하게 하는 환경을 마련하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 정반과; 상기 웨이퍼가 상기 연마 정반과 접촉하면서 연마하는 공정 중에 상온보다 높은 온도로 조절된 슬러리를 화학 기계적 연마 공정의 일부 이상에 상기 웨이퍼와 상기 연마 정반 중 어느 하나 이상에 공급하는 슬러리 공급부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 웨이퍼의 연마층이 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마량이 높아지기 위하여, 웨이퍼를 가압하는 힘이 크더라도 웨이퍼의 단위 시간 당 연마량이 증가하지 않아 초기 단계에 소요되는 시간이 단축되지 않지만, 슬러리의 공급 온도를 높여 웨이퍼의 연마 환경을 상온보다 높은 상태로 화학 기계적 연마 공정을 시작하게 함으로써, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 웨이퍼 연마층의 단위 시간당 연마량을 증가시키는 주(主)연마 단계로 보다 짧은 시간 내에 진입할 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같이, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정에 공급되는 슬러리를 상온보다 높은 온도로 조절한 상태로 화학 기계적 연마 공정을 시작하도록 함으로써, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하면서도, 주 연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을, 예를 들어 웨이퍼를 가압하는 가압력을 작게 조절하는 것 등에 의하여, 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 슬러리 공급부는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서는 상온에 비하여 높은 온도로 조절되어 슬러리를 공급할 수 있다. 즉, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 내내 슬러리의 온도를 상온보다 높게 유지될 수도 있지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지면서 웨이퍼의 연마면과 연마 정반 사이에 마찰에 의한 열이 발생되므로, 슬러리 공급부는 시작 단계에서만 상온에 비하여 높은 온도로 조절된 슬러리를 공급할 수도 있다.
이 때, 상기 시작 단계는 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 전체 시간의 1/3이하로 정해진다. 이는, 화학 기계적 연마 공정의 전체 공정 시간의 적어도 1/3이 경과하면, 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의하여 상온보다 높은 온도로 유도되기 때문이다.
즉, 여기서의 시작 단계는 전술한 초기 단계와 동일하게 정해질 수도 있지만, 반드시 일치해야 하는 것은 아니다. 이는, 슬러리나 연마층의 종류에 따라 차이가 있지만, 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의하여 상온보다 높은 온도로 유도되어도, 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼의 단위 시간당 연마 속도가 높아지는 것에는 시간 차이가 있기 때문이다.
상기 슬러리 공급부에 의하여 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 공급되는 슬러리의 온도는 섭씨 40도 이상으로 정해지는 것이 바람직하다. 다만, 슬러리의 온도는 슬러리의 종류와 웨이퍼 연마층의 소재에 따라 슬러리의 시작 단계에서의 공급온도는 섭씨 80도 이상이 될 수도 있고, 섭씨 30도 정도로 될 수도 있다.
이에 따라, 상기 슬러리 공급부는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 진행되면, 시작 단계에 비하여 보다 낮은 온도로 조절되어 슬러리를 공급하는 것이 바람직하다. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의한 발열량이 큰 경우에는, 슬러리 공급부는 시작 단계가 경과한 이후에는 상온보다 더 낮은 온도로 조절될 수도 있으며, 이에 의해서도 웨이퍼 주변의 온도를 상온보다 높게 유지할 수 있다.
한편, 상기 연마 정반의 표면을 측정하는 온도 센서를; 더 포함하고, 상기 슬러리 공급부는 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도가 정해진 범위 내로 유지하게 상기 슬러리 공급부로부터 공급되는 슬러리 온도를 조절할 수도 있다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼와 연마 패드와의 발열량을 고려하여, 화학 기계적 연마 공정 중의 웨이퍼 주변의 온도를 슬러리에 의한 화학적 연마가 최적으로 유도되는 온도로 유지하여, 단위 시간당 연마량을 일정하면서도 높은 수준으로 유도하는 것이 가능해진다.
한편, 본 발명은, 슬러리의 온도를 조절하는 것과 병행하여, 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전에 상기 연마 정반에 상온 이상의 순수를 상기 연마 정반에 공급하는 것에 의해서도, 시작 단계에서 웨이퍼의 주변 온도를 상온보다 높게 유도함으로써, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 초기 시간을 줄일 수 있다.
예를 들어, 상기 순수의 온도는 섭씨 50도 내지 섭씨 100도일 수 있다.
그리고, 상기 순수는 상기 연마 정반의 표면에 분사되어, 웨이퍼가 접촉하는 연마 정반의 연마 패드가 전체적으로 가열되게 유도함으로써, 온도 조절된 슬러리가 연마 패드 상에 공급되더라도 금방 식지않고, 공급된 온도를 유지하면서 웨이퍼로 전달되어, 화학 기계적 연마 공정이 일어나는 웨이퍼의 온도를 높이는 데 보다 확실하게 기여할 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 방법으로서, 화학 기계적 연마 공정을 행하는 시작 단계에서 공급되는 슬러리를 상온 보다 높게 가열된 상태로 공급하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
이 때, 상기 화학 기계적 연마 공정이 진행되면, 웨이퍼와 연마 패드의 마찰에 의한 발열량을 고려하여, 상기 웨이퍼의 연마 온도를 정해진 범위내로 유지하기 위하여 상기 슬러리의 공급온도를 시작 단계에 비하여 더 낮추는 것이 좋다.
그리고, 상기 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 정반의 표면에 상온보다 높은 순수를 공급하는 단계를; 더 포함함으로써, 상온 보다 높게 온도조절된 슬러리가 연마 패드에 공급되어 웨이퍼로 전달되는 과정에서 슬러리의 온도가 적정 온도로 유지되어, 화학 기계적 연마 공정이 일어나는 웨이퍼의 온도를 보다 확실하게 높일 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '상온(常溫)'은 별도의 열처리 없는 상태의 실내 온도를 지칭하며, 본 명세서 및 특허청구범위의 '상온'은 섭씨 15도를 지칭하는 것으로 정의하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서, 화학 기계적 연마 공정을 위하여 공급되는 슬러리를 상온보다 높게 온도 조절한 상태로 공급함으로써, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 주(主)연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을, 예를 들어 웨이퍼를 가압하는 가압력을 작게 조절하는 것 등에 의하여, 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도1에 의한 화학 기계적 연마 공정의 시간에 따른 연마량 변화 그래프,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도5는 도4의 화학 기계적 연마 장치의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)는, 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 회전하여 웨이퍼 연마면을 연마하는 연마 패드(11)가 상측에 입혀진 연마 정반(10)과, 연마 정반(10)의 연마 패드(11) 상에 웨이퍼 연마면이 접촉한 상태로 웨이퍼(W)를 하방 가압하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 컨디셔너(40)와, 웨이퍼(W)가 상기 연마 정반(10)과 접촉하면서 연마하는 공정 중에 온도조절된 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(30)와, 슬러리 공급부(30)를 통해 공급되는 슬러리의 온도를 조절하는 슬러리 온도 조절부(110)와, 연마 패드(11)의 온도를 측정하는 온도 센서(Tm)와, 온도 센서(Tm)로부터 연마 패드(11)의 온도의 측정값을 수신하여 공급되는 슬러리의 온도를 조절하게 제어하는 제어부(120)와, 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에 연마 패드(11)의 표면에 상온 이상의 순수(99)를 도포하는 순수 공급부(190)를 포함하여 구성된다.
상기 슬러리 온도조절부(110)는 도면에 도시되지 않았지만, 슬러리 공급부(30)를 통해 슬러리가 연마 패드(11) 상으로 공급되기 직전의 슬러리를 가열하거나 냉각하여 원하는 온도가 되도록 제어한다. 예를 들어, 슬러리를 임시로 수용 탱크에 수용하여 열선이나 냉동 사이클에 의하여 가열하거나 냉각할 수도 있고, 슬러리 탱크로부터 슬러리 공급부(30)를 연결하는 이송 파이프에 열선이나 냉동 사이클에 의하여 온도 조절할 수도 있다.
슬러리 온도조절부(110)에서 조절되는 온도는, 슬러리가 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼(W)에 도달하였을 때에, 슬러리에 의한 화학적 연마 공정이 원활히 일어날 수 있는 온도로 조절된다. 예를 들어, 슬러리에 의한 화학 반응의 최적 온도가 섭씨 40도인 경우에는, 주변 온도를 고려하여 슬러리 온도 조절부(110)는 슬러리 공급부(30)에서 섭씨 43도 내지 섭씨 47도로 약간 높은 온도로 조절하여, 연마 패드(11) 상에 공급된 슬러리가 웨이퍼(W)까지 흘러들어가는 과정에서 주변 온도에 의해 냉각되더라도, 화학 기계적 연마 공정이 일어나는 웨이퍼 주변에서는 최적 온도로 도달하도록 제어된다.
상기 온도 센서(Tm)는 웨이퍼(W)를 가압하는 연마 헤드(20)의 {연마 패드의 회전 방향을 기준으로} 전방과 후방 에서의 연마 패드(11)의 온도를 측정한다. 연마 헤드(20)의 전방과 후방에서 모두 연마 패드(11)의 온도를 측정하는 경우에는, 웨이퍼를 통과하기 이전과 이후에서의 온도를 측정하여 평균값으로 화학 기계적 연마 공정이 일어나는 온도를 산출하는 것이 좋다. 온도 센서(Tm)는 접촉식 센서를 사용할 수도 있지만, 연마 패드(11)가 회전하고 있으므로 비접촉식 센서를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
이를 통해, 웨이퍼와 연마 패드(11)의 기계적 연마 공정에서 발생되는 열에 의하여, 웨이퍼(W) 주변의 온도가 변동되는 것을 보다 정확하게 감지할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 온도 센서(Tm)에서 측정된 온도값을 수신받아 슬러리의 온도를 제어한다. 즉, 제어부(120)는, 화학 기계적 연마 공정이 일어나고 있는 웨이퍼(W) 주변의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 초과한 경우에는 슬러리 온도조절부(110)에서 슬러리의 온도를 낮추도록 제어하고, 화학 기계적 연마 공정이 일어나고 있는 웨이퍼(W) 주변의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 미달하는 경우에는 슬러리 온도조절부(110)에서 슬러리의 온도를 높이도록 제어하여, 웨이퍼 주변의 온도가 슬러리에 의한 화학적 연마가 원활히 일어날 수 있도록 유도한다.
이 때, 화학 기계적 연마 공정이 진행되는 과정에서, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 기계적 마찰에 의하여 열이 발생되므로, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에 해당하는 시간이 경과하면, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 마찰에 의한 발열량에 해당되는 만큼 슬러리 공급부(30)로부터 공급되는 슬러리의 온도는 점점 낮아지게 제어되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 웨이퍼(W) 주변의 온도는 항상 상온보다 높은 적정 온도를 유지할 수 있다.
여기서, 본 명세서에 기재된 '적정 온도'란 웨이퍼 연마층의 재질, 슬러리의 종류, 연마 패드의 재질 및 사용기간 등 화학 기계적 연마 공정의 변수를 고려하여, 웨이퍼 연마층이 공기와 접하면서 발생된 미세한 산화막이 제거되기 쉬우면서 슬러리의 화학 반응이 원활히 이루어져 웨이퍼의 연마에 최적이 되는 상온보다 높은 온도(예를 들어, 섭씨 30도 내지 섭씨 180도)를 지칭한다.
그리고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '시작 단계'란 화학 기계적 연마 공정에 의하여 웨이퍼와 연마 패드의 마찰에 의한 발열량에 의하여 슬러리의 화학적 연마 반응이 일어나는 최적인 적정 온도까지 도달하는 데까지의 단계를 지칭한다. 따라서, 온도조절된 슬러리가 공급됨에 따라, 시작 단계는 화학 기계적 연마 공정의 전체 공정 시간의 1/3이하로 정해진다.
그리고, 본 명세서에 기재된 '초기 단계'란 화학 기계적 연마 공정을 시작하면, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 연마 단계로 정의한다. 여기서 단위 시간당 연마량이 '낮다'는 것은 '초기 단계'가 경과한 이후에 단위 시간당 연마량이 '큰' 주(主) 연마 단계에서의 단위 시간당 연마량의 1/2이하로 유지되는 단계로 정의한다. 즉, 도3에서 A1으로 표시된 영역이 '초기 단계'이고, 도3에서 A2로 표시된 영역이 '주연마 단계'이다.
상기 순수 공급부(190)는 화학 기계적 연마 공정을 시작하기에 앞서, 상온보다 높은 온도(예를 들어, 섭씨 35도 내지 섭씨 100도)의 순수를 분사하여, 연마 패드(11)의 온도를 상온보다 높게 유도한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 시작 단계에서, 온도조절된 슬러리가 슬러리 공급부(30)로부터 연마 패드(11)에 공급될 때에, 공급된 슬러리가 연마 패드(11)를 통과하여 웨이퍼(W)로 전달되는 과정에서 슬러리의 온도가 주변과의 열교환에 의하여 과도하게 낮아지는 것을 방지한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)는, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 상온보다 높은 온도로 조절된 슬러리가 연마 패드(11)에 공급되어 웨이퍼(W)로 흘러들어 가게 구성되어, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 고온 환경에서 보다 빨리 제거되어 기계적 연마도 촉진되고, 동시에 슬러리의 화학 반응이 최적의 온도로 설정되어 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 전체 연마 시간의 1/10 이하로 단축할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있었다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 주(主)연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도5를 참조하여 상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치(9)의 작용을 상술한다.
단계 1: 먼저, 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에, 섭씨 40도 이상으로 온도조절된 순수를 연마 정반(10)의 연마 패드(11) 상에 도포한다(S110). 이에 의하여, 연마 패드(11)의 온도는 주변 온도보다 높은 상태로 있게 된다.
단계 2: 그리고, 웨이퍼가 연마 헤드(20)의 하측에 위치한 상태에서 화학 기계적 연마 공정이 시작되면, 슬러리 온도조절부(110)에서 상온에 비하여 높은 온도로 조절된 슬러리를 슬러리 공급부(30)를 통해 연마 패드(11)상에 공급한다(S120).
연마 패드(11)에 공급되는 슬러리의 온도는 웨이퍼(W)가 위치한 곳까지 흘러들어가는 데 소요되는 경로와 시간을 고려하여, 최적의 적정 온도에 비하여 섭씨 3도 내지 7도 정도 높은 온도로 공급되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼(W) 주변의 온도는 상온에 비하여 높은 온도로 유지되고, 동시에 슬러리의 화학적 연마를 위한 반응 온도(즉, 적정 온도)에 이미 도달한 상태가 된다. 따라서, 웨이퍼 연마면이 주변보다 높은 고온 상태로 되므로 웨이퍼 연마면에서의 산화막이 쉽게 제거되어 기계적 연마 공정도 보다 쉽게 이뤄진다. 동시에, 슬러리의 반응이 원활히 이루어지면서 화학적 연마도 금방 안정되게 이루어진다.
따라서, 화학 기계적 연마 공정은 시작 단계에서부터 단위 시간당 연마량이 금방 커지기 시작하여, 원활한 화학 기계적 연마 공정이 이루어지게 된다. 즉, 종래의 초기 단계(도3의 A1)는 전체 연마 공정 시간의 1/3 내지 1/2을 차지하였지만, 상기와 같이 시작 단계에서 온도 조절된 슬러리를 공급하여 웨이퍼의 연마 온도 환경을 적정 온도에 맞춰줌으로써, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간(T1)을 전체 연마 시간(Te)의 1/10 이하까지 낮출 수 있게 된다.
단계 3: 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 온도는 지속적으로 온도 센서(Tm)에 의해 측정되어 감시되며, 측정된 온도값은 제어부(120)로 전송된다.(S130).
한편, 화학 기계적 연마 공정 중에 시작 단계에서는 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 마찰에 의한 발열량이 미미하지만, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계를 넘어서면서 발열량은 크게 증가하게 된다. 이에 따라, 슬러리의 온도를 시작 단계에서 공급하던 슬러리의 온도로 유지할 경우에는, 웨이퍼 주변의 온도가 적정 온도 이상으로 과도하게 높아진다.
따라서, 전체 연마 시간(Te)의 1/10 내지 1/3정도(즉, 1/3이하)의 시간이 경과하면, 경험적으로 슬러리 공급부(30)로부터 공급되는 슬러리의 온도를 시작 단계에서의 온도에 비하여 낮게 조절되어 공급된다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 이루어지는 웨이퍼(W)의 주변 온도는 슬러리로부터 전달되는 열전달량의 감소분과 연마 패드(111)와의 마찰에 의해 발생되는 발열량의 증가분이 평형을 이루면서, 화학 기계적 연마 단계의 시작 단계에서 연마 종료 시점까지 적정 온도 범위 내에서 안정되게 유지할 수 있다.
이와 달리, 제어부(120)로 전송된 측정 온도값을 기초로 정할수도 있다. 즉제어부(120)로 전송되는 연마 패드(11)의 측정 온도값이 정해진 적정 온도 범위를 초과하면, 제어부(120)는 슬러리 온도조절부(110)에 지령을 전송하여, 슬러리 온도조절부(110)의 열선에 인가하는 전류를 낮추거나 OFF시키는 시간을 늘릴 수도 있고, 적극적으로는 냉동 사이클에 의하여 공급되는 슬러리를 냉각시켜, 연마 패드(11)에 공급되는 슬러리의 온도를 낮추도록 조절한다(S140). 이와 유사하게, 제어부(120)로 전송되는 연마 패드(11)의 측정 온도값이 정해진 범위를 미달하면, 제어부(120)는 슬러리 온도조절부(110)에 지령을 전송하여, 슬러리 온도조절부(110)의 열선에 인가하는 전류를 높이거나 OFF시키는 시간을 줄일 수도 있고, 적극적으로는 냉동 사이클에 의하여 공급되는 슬러리를 추가로 가열하여, 연마 패드(11)에 공급되는 슬러리의 온도를 높이도록 조절할 수도 있다.
이에 의하여, 보다 정확한 시점에서 슬러리의 온도를 조절함으로써, 웨이퍼의 연마 공정이 시작부터 종료될 때까지 일정하고 신뢰성있게 정해진 적정 온도 범위 내에서 화학 기계적 연마 공정이 행해질 수 있다.
단계 3의 공정 S130과 S140은 화학 기계적 연마 공정이 종료될 때까지 지속되어, 화학 기계적 연마 공정이 단위 시간에 대하여 일정하고 균일하게 행해질 수 있게 된다.
상기와 같이 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼(W)에 슬러리를 상온보다 높은 온도, 바람직하게는 섭씨 40도 내지 섭씨 90도 사이의 온도로 가열된 상태로 공급됨에 따라, 웨이퍼 연마층이 고온 환경 하에서 기계적 연마에 의해서도 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 화학 기계적 연마 공정에서 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간(T1)을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 또한 주(主)연마 단계(도3의 A2)에 소요되는 시간을 보다 길게 연장할 수 있는 여유가 생기므로, 주 연마 단계에서 웨이퍼의 연마면 위치에 따라 연마량 편차가 발생되는 크기를 줄일 수 있는 제어가 보다 정확하게 행해지는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
9: 화학 기계적 연마 장치 10: 연마 정반
11: 연마 패드 20: 연마 헤드
30: 슬러리 공급부 110: 슬러리 온도조절부
120: 제어부 190: 순수 공급부
Tm: 온도 센서

Claims (13)

  1. 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 정반과;
    화학 기계적 연마 공정을 행하는 시작 단계로부터 상기 화학 기계적 연마 공정의 전체 시간의 1/3 이하 동안의 초기 단계가 행해지는 동안에 섭씨 40℃ 이상으로 상온보다 높게 조절된 슬러리를 상기 웨이퍼와 연마 패드 중 어느 하나 이상에 공급하고, 상기 초기 단계를 거친 이후에 상기 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 증가하면, 상기 초기 단계에서 조절된 온도에 비하여 더 낮은 온도로 조절된 슬러리를 상기 웨이퍼와 연마 패드 중 어느 하나 이상에 공급하는 슬러리 공급부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 정반의 표면을 측정하는 온도 센서를;
    더 포함하고, 상기 슬러리 공급부는 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도가 정해진 범위 내로 유지하게 상기 슬러리 공급부로부터 공급되는 슬러리 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 정해진 범위는 상온보다 더 높은 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전에 상기 연마 정반에 상온 이상의 순수를 상기 연마 정반에 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 순수는 상기 연마 정반의 표면에 분사되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 순수는 섭씨 50도 내지 100도인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    화학 기계적 연마 공정을 행하는 시작 단계로부터 섭씨 40℃ 이상으로 상온 보다 높게 조절된 슬러리를 상기 웨이퍼와 연마 패드 중 어느 하나 이상에 공급하되, 상기 화학 기계적 연마 공정의 전체 시간의 1/3 이하 동안 행하는 초기 단계와;
    상기 초기 단계에 의하여 상기 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 증가시킨 상태에서, 상기 초기 단계에서 조절된 온도에 비하여 더 낮은 온도로 조절된 슬러리를 상기 웨이퍼와 연마 패드 중 어느 하나 이상에 공급하는 주(主)연마 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 정반의 표면에 상온보다 높은 순수를 공급하는 단계를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012525715A (ja) 2009-04-30 2012-10-22 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド 化学機械研磨の温度制御

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101722555B1 (ko) * 2016-03-08 2017-04-03 주식회사 케이씨텍 화학 기계적 연마장치 및 방법

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