KR102232984B1 - 화학 기계적 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로, 화학 기계적 연마장치는, 기판이 접촉되는 연마패드와, 연마패드의 표면에 액체를 분사하는 액체분사모듈과, 액체분사모듈로부터 분사된 액체를 연마패드의 표면 상에 잔류시키는 액체 홀더를 포함하는 것에 의하여, 연마 효율성 및 연마 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

화학 기계적 연마장치{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}

본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마 효율을 높일 수 있게 하는 화학 기계적 연마장치에 관한 것이다.

반도체 소자는 미세한 회로선이 고밀도로 집적되어 제조됨에 따라, 이에 상응하는 정밀 연마가 웨이퍼 표면에 행해진다. 웨이퍼의 연마를 보다 정밀하게 행하기 위해서는 기계적인 연마 뿐만 아니라 화학적 연마가 병행되는 화학 기계적 연마 공정(CMP공정)이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 행해진다.

즉, 연마정반(10)의 상면에는 웨이퍼(W)가 가압되면서 맞닿는 연마패드(11)가 연마정반(10)과 함께 회전(11d)하도록 설치되며, 화학적 연마를 위해 공급 유닛(30)의 슬러리 공급구(32)를 통해 슬러리가 공급되면서, 마찰에 의한 기계적 연마를 웨이퍼(W)에 행한다. 이때, 웨이퍼(W)는 캐리어헤드(20)에 의해 정해진 위치에서 회전(20d)하여 정밀하게 평탄화시키는 연마 공정이 행해진다.

이와 동시에, 컨디셔너(40)의 컨디셔닝 디스크는 하방 가압하면서 회전(40d)하고 그 아암(41)이 정해진 각도를 왕복(41d)하면서 연마패드(11)의 표면을 개질한다.

웨이퍼(W)에 적층되는 연마층은 텅스텐 등의 금속막이나 산화막 등 다양한 소재로 형성된다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 연마층의 종류에 관계없이 화학 기계적 연마 공정의 초기연마 단계(A1)에서는 연마 시간의 경과에도 불구하고 연마두께(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, 초기연마 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.

특히, 웨이퍼(W)에 대한 연마 공정이 완료된 후, 다음 연마 공정 순서의 웨이퍼가 공급되기 전까지, 연마패드(11)는 대기 상태를 유지하게 되는데, 연마패드(11)의 대기 상태 동안 연마패드(11)의 온도가 낮아짐에 따라, 다음 순서의 연마 공정에서 초기연마 단계에서 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 초기연마 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.

이를 위해, 최근에는 화학 기계적 연마 공정에 소요 시간을 단축하고, 연마면을 보다 정교하게 제어하기 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있는 화학 기계적 연마장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 연마패드에 분사되는 액체를 잔류시켜 연마패드의 표면 온도를 조절할 수 있으며, 연마 효율을 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마패드의 온도 조절과 동시에 연마패드의 세정이 함께 행해지도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마 시간을 단축하고, 기판의 연마량을 균일하게 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 생산성을 향상 시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마패드의 표면 온도 편차에 따른 화학적 연마량의 편차를 최소화하고, 기판의 연마 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마장치는, 기판이 접촉되는 연마패드와, 연마패드의 표면에 액체를 분사하는 액체분사모듈과, 액체분사모듈로부터 분사된 액체를 연마패드의 표면 상에 잔류시키는 액체 홀더를 포함한다.

이는, 기판의 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마 효율을 높이기 위함이다.

즉, 본 발명은 액체분사모듈로부터 분사된 액체가 액체 홀더에 의해 연마패드의 표면에 잔류되도록 하는 것에 의하여, 연마패드의 세정과 함께 연마패드의 표면 온도 조절이 동시해 행해지도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 상온보다 높은 온도를 갖는 액체가 액체 홀더에 의해 연마패드의 표면 상에 잔류되도록 하는 것에 의하여, 잔류된 액체를 매체로 연마패드의 표면 온도를 조절할 수 있으므로, 연마패드의 세정이 행해지는 중에(액체분사모듈로부터 액체가 분사되는 동안) 연마패드의 급격한 온도 변화를 방지하고, 연마패드의 온도를 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

다시 말해서, 기존에는 기판에 대한 연마 공정이 완료된 후, 다음 연마 공정 순서의 기판이 공급되기 전까지, 연마패드는 대기 상태를 유지하게 되는데, 연마패드의 대기 상태 동안 연마패드의 온도가 낮아져, 다음 순서의 연마 공정에서 슬러리의 온도가 주변(연마패드)과의 열교환에 의하여 과도하게 낮아지게 됨에 따라, 연마 시간이 증가하고 연마 효율이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명은 다음 순서의 연마 공정이 진행되기에 앞서, 상온보다 높은 온도의 액체를 연마패드의 표면에 잔류시켜, 연마패드의 온도를 상온보다 높게 유도한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 시작 단계에서, 슬러리가 연마패드에 공급될 때에, 공급된 슬러리가 연마패드를 통과하여 기판으로 전달되는 과정에서 슬러리의 온도가 주변과의 열교환에 의하여 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 상온보다 높은 온도의 슬러리가 연마패드에 공급되어 기판으로 흘러들어 가도록 함으로써, 화학 기계적 연마 공정의 초기연마 단계에서, 기판 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 초기연마 단계에 소요되는 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 슬러리의 사용량을 저감할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 열용량이 큰 액상 액체(예를 들어, 순수)가 연마패드 상에 머무는 시간을 늘려주어, 액상 액체와 연마패드의 지속적인 열교환을 보장함으로써, 연마패드의 급격한 온도변화를 억제하고, 연마패드의 온도를 균일한 온도로 보다 신뢰성 있게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

보다 구체적으로, 액체분사모듈은 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정이 완료된 후 액체를 분사하도록 구성된다. 즉, 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정이 완료된 후, 다음 연마 공정 순서의 기판이 이송되기 전에 연마패드가 대기 상태(연마 공정이 행해지지 않는 상태)에 있는 동안, 액체분사모듈은 연마패드에 액체를 분사하도록 구성된다.

액체 홀더는 연마패드의 표면에 분사된 액체를 일시적으로 잔류시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 액체 홀더는 연마패드의 상면에 배치되는 홀더 몸체와, 홀더 몸체에 형성되며 연마패드로 분사된 상기 액체가 수용되는 액체수용홈을 포함한다.

바람직하게 액체 홀더는 액체분사모듈을 피벗 회전 가능하게 지지하는 회전지지부에 장착된다. 이와 같이, 액체 홀더를 액체분사모듈을 지지하는 회전지지부에 장착하는 것에 의하여, 액체 홀더를 장착하기 위한 회전축 또는 지지수단을 별도로 구비할 필요없이, 회전지지부를 공용으로 사용할 수 있기 때문에, 구조를 간소화하고 공간활용성을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

액체수용홈은 액체가 연마패드에 분사되는 분사 위치의 둘레를 감싸도록 형성된다. 이와 같이, 액체수용홈이 액체가 연마패드에 분사되는 분사 위치의 둘레를 감싸도록 형성하는 것에 의하여, 액체가 분사된 직후 곧바로 액체수용홈에 수용될 수 있으므로, 액체의 열손실을 최소화하고 액체와 연마패드 간의 열전달이 보다 효율적으로 이루어지게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 액체수용홈은 연마패드의 중심에서 연마패드의 가장자리까지 연속적으로 형성된다. 이와 같이, 액체수용홈을 연마패드의 중심에서 연마패드의 가장자리까지 연속적으로 형성하는 것에 의하여, 연마패드의 온도 조절이 연마패드의 반경 방향을 따라 전체적으로 균일하게 이루어지게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이때, 액체수용홈은 직선 형태로 형성될 수 있으나, 경우에 따라서는 액체수용홈이 곡선 형태로 형성되거나, 직선 형태와 곡선 형태가 혼합된 형태로 형성되는 것도 가능하다.

또한, 액체 홀더에는, 액체수용홈과 연통되며 액체수용홈에 수용된 액체를 연마패드의 외측으로 배출하는 액체배출구가 형성된다. 바람직하게 액체수용홈에서는 액체의 유입과 배출이 동시에 행해진다. 이와 같이, 액체수용홈에서 액체의 유입과 배출이 동시에 행해지도록 하는 것에 의하여, 액체에 의한 열전달 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 액체분사모듈에서 액체가 분사되는 동안 연마패드는 회전하고, 액체 홀더는 위치가 고정된다. 따라서, 액체 홀더에 의해 잔류되는 액체에 의해 연마패드의 전체 표면이 세정 및 온도 조절될 수 있다.

액체 홀더는, 연마패드의 표면에 인접하게 배치되는 제1위치와, 연마패드의 표면으로부터 이격되게 배치되는 제2위치로 이동 가능하게 구비된다. 이때, 액체 홀더가 제1위치에 배치되면 연마패드의 표면에서 액체의 잔류 상태가 유지되고, 액체 홀더가 상기 제2위치에 배치되면 연마패드의 표면에서 액체의 잔류 상태가 해제된다. 이와 같이, 액체 홀더가 선택적으로 제1위치에서 제2위치로 이동될 수 있도록 하는 것에 의하여, 세정과 연마패드의 온도 조절이 필요한 경우에는 액체 홀더를 제1위치에 배치할 수 있고, 세정만이 필요한 경우에는 액체 홀더를 제2위치에 배치할 수 있다.

또한, 액체 홀더에는 슬러리 공급슬롯이 형성될 수 있으며, 기판의 화학 기계적 연마 공정을 위한 슬러리는 슬러리 공급슬롯을 통해 연마패드의 표면에 공급될 수 있다. 이와 같이, 슬러리 공급슬롯을 액체 홀더에 형성하는 것에 의하여, 슬러리를 공급하기 위한 공급수단을 별도로 구비할 필요없이, 액체 홀더 자체를 슬러리 공급 용도로 공용으로 사용할 수 있기 때문에, 구조를 간소화하고 공간활용성을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 슬러리 공급슬롯의 출구는 연마패드를 마주하는 액체 홀더의 저면에 형성된다. 이와 같이, 슬러리 공급슬롯의 출구를 연마패드를 마주하는 액체 홀더의 저면에 형성하는 것에 의하여, 액체 홀더의 저면으로 공급된 슬러리가 액체 홀더에 자중에 의해 눌려지며 평평하게 펴질 수 있으므로, 슬러리의 도포 균일성을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 화학 기계적 연마장치는 연마패드의 표면 온도를 측정하는 온도측정부와, 온도측정부에서 측정된 결과에 따라 액체의 온도를 제어하는 온도제어부를 포함할 수 있다.

이를 통해, 세정 공정(액체분사모듈로부터 액체 분사)이 시작되기 전에(또는 세정 공정이 행해지는 동안) 연마패드의 온도 변화를 정확하게 감지할 수 있다.

더욱이, 온도제어부는 연마패드의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 초과한 경우에는 액체의 온도를 낮추도록 제어하고, 연마패드의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 미달하는 경우에는 액체의 온도를 높이도록 제어하는 것에 의하여, 다음 순서의 연마공정에서 슬러리에 의한 화학적 연마가 보다 효율적으로 행해질 수 있도록 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기판의 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 액체분사모듈로부터 분사된 액체(상온보다 높은 온도를 갖는 액체)가 액체 홀더에 의해 연마패드의 표면 상에 잔류되도록 하는 것에 의하여, 잔류된 액체를 매체로 연마패드의 표면 온도를 조절할 수 있으므로, 연마패드의 세정이 행해지는 중에(액체분사모듈로부터 액체가 분사되는 동안) 연마패드의 급격한 온도 변화를 방지하고, 연마패드의 온도를 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

다시 말해서, 본 발명에 따르면, 다음 순서의 연마 공정이 진행되기에 앞서, 상온보다 높은 온도의 액체를 연마패드의 표면에 잔류시켜, 연마패드의 온도를 상온보다 높게 유도한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 시작 단계에서, 슬러리가 연마패드에 공급될 때에, 공급된 슬러리가 연마패드를 통과하여 기판으로 전달되는 과정에서 슬러리의 온도가 주변과의 열교환에 의하여 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 상온보다 높은 온도의 슬러리가 연마패드에 공급되어 기판으로 흘러들어 가도록 함으로써, 화학 기계적 연마 공정의 초기연마 단계에서, 기판 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 초기연마 단계에 소요되는 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 슬러리의 사용량을 저감할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 열용량이 큰 액상 액체(예를 들어, 순수)가 연마패드 상에 머무는 시간을 늘려주어, 액상 액체와 연마패드의 지속적인 열교환을 보장함으로써, 연마패드의 급격한 온도변화를 억제하고, 연마패드의 온도를 균일한 온도로 보다 신뢰성 있게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 구조를 간소화하고 공간활용성을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 연마패드의 표면 온도 변화에 따른 안정성 및 신뢰성 저하를 방지할 수 있고, 기판의 연마 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1에 의한 화학 기계적 연마 공정의 시간에 따른 연마량 변화 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 연마패드의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 액체분사모듈과 액체 홀더를 설명하기 위한 도면,
도 7은 도 6의 'A'부분의 확대도,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 액체 홀더의 작동 구조를 설명하기 위한 도면,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 슬러리 공급슬롯을 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 온도측정부와 온도제어부를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 연마패드의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 또한, 도 6은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 액체분사모듈과 액체 홀더를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 6의 'A'부분의 확대도이다. 아울러, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 액체 홀더의 작동 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 슬러리 공급슬롯을 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치로서, 온도측정부와 온도제어부를 설명하기 위한 도면이다.

도 4 내지 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치(2)는 기판이 접촉되는 연마패드(111)와, 연마패드(111)의 표면에 액체를 분사하는 액체분사모듈(200)과, 액체분사모듈(200)로부터 분사된 액체를 연마패드(111)의 표면 상에 잔류시키는 액체 홀더(300)를 포함한다.

연마패드(111)는 원형 디스크 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 회전하는 연마정반(110)의 상면에 제공된다.

연마패드(111)의 상면에 슬러리가 공급되는 상태에서 캐리어헤드(120)에 의해 기판(도 8의 10 참조)을 연마패드(111)의 상면에 가압함으로써 화학 기계적 연마 공정이 수행될 수 있으며, 연마패드(111) 및 슬러리를 이용한 화학 기계적 연마 공정이 끝난 후에는 기판(10)을 세정 장치로 이송할 수 있다.

참고로, 본 발명에 기판(10)이라 함은 연마패드(111) 상에 연마될 수 있는 연마대상물로 이해될 수 있으며, 기판(10)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 기판(10)으로서는 웨이퍼가 사용될 수 있다.

아울러, 기판의 연마공정은 기판에 대한 연마가 시작되는 초기연마 단계, 초기연마 단계의 이후에 진행되는 주연마 단계로 구분될 수 있다. 여기서, '초기연마 단계'란 화학 기계적 연마 공정을 시작하면, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 연마 단계로 정의한다. 여기서 단위 시간당 연마량이 '낮다'는 것은 '초기연마 단계'가 경과한 이후에 단위 시간당 연마량이 '큰' 주(主)연마 단계에서의 단위 시간당 연마량의 1/2 이하로 유지되는 단계로 정의한다.

캐리어헤드(120)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 캐리어헤드(120)는 회전 가능하게 제공되는 본체부(미도시), 본체부와 함께 회전 가능하게 제공되는 베이스부(미도시), 베이스부의 저면에 제공되는 탄성 멤브레인(미도시)을 포함하여 제공될 수 있다.

탄성 멤브레인은 중앙부에 개구부가 형성되며, 탄성 멤브레인의 중앙부에 인접한 내측단은 베이스부에 고정될 수 있고, 탄성 멤브레인의 외측단은 베이스부의 엣지부에 결합되는 리테이너링에 의해 베이스부에 고정될 수 있다.

탄성 멤브레인은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 탄성 멤브레인에는 복수개의 플립(예를 들어, 링 형태의 플립)이 형성될 수 있으며, 복수개의 플립에 의해 베이스부와 탄성 멤브레인의 사이에는 베이스부의 반경 방향을 따라 구획된 복수개의 압력챔버가 제공될 수 있다.

베이스부와 탄성 멤브레인의 사이 각 압력챔버에는 각각 압력을 측정하기 위한 압력센서가 제공될 수 있다. 각 압력챔버의 압력은 압력챔버 제어부에 의한 제어에 의해 개별적으로 조절될 수 있으며, 각 압력챕버의 압력을 조절하여 기판(10)이 가압되는 압력을 개별적으로 조절할 수 있다.

또한, 캐리어헤드(120)의 중심부에는 탄성 멤브레인의 개구에 의해 관통 형성되는 중심부 압력챔버(미도시)가 형성될 수 있다. 중심부 압력챔버는 기판(10)과 직접 연통되어 폴리싱 공정 중에 기판을 가압할 뿐만 아니라, 흡입압이 작용되어 기판(10)을 캐리어헤드(120)의 탄성 멤브레인에 밀착시킴으로써 기판(10)을 파지한 상태로 제3의 위치(예를 들어, 세정장치)로 이동시키는 역할도 수행할 수 있다.

또한, 연마패드(111)의 상면 다른 일측에는 연마패드(111)의 표면을 개질하기 위한 컨디셔너(140)가 제공된다.

컨디셔너(140)는 아암(141)의 회전 중심을 기준으로 선회 운동하도록 제공되며, 컨디셔너(40)의 기계적 드레싱 공정에 의해 연마패드(111)는 일정한 연마면을 유지할 수 있다.

액체분사모듈(200)은 연마패드(111)의 표면에 액체를 분사하기 위해 구비된다.

여기서, 연마패드(111)의 표면에 분사되는 액체라 함은, 연마패드(111)의 표면을 세정하기 위한 세정 액체(예를 들어, 세정액, 순수, 중 적어도 어느 하나)를 포함하는 개념으로 정의된다.

보다 구체적으로, 액체분사모듈(200)은 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정이 완료된 후 액체를 분사하도록 구성된다.

이때, 액체분사모듈(200)은 단 한 종류의 액체를 분사하도록 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 연마패드(111)의 세정 효율을 높일 수 있도록 액체분사모듈(200)이 연마패드(111)의 표면을 향해 서로 다른 이종(heterogeneity) 액체를 분사하도록 구성되는 것도 가능하다. 가령, 액체분사모듈(200)은 액상 액체인 순수(DIW)와 기상 액체인 질소(N₂)를 함께 분사하도록 구성될 수 있다.

액체분사모듈(200)은 액체를 분사 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 액체분사모듈(200)은 독립적으로 이격되게 배치되는 복수개의 액체 분사노즐(202)을 포함할 수 있고, 각 액체 분사노즐(202)에서는 동시에 액체가 분사될 수 있다. 경우에 따라서는 폭보다 긴 길이를 갖는 슬릿 형태의 단일 분사노즐을 이용하여 액체를 분사하는 것도 가능하다.

또한, 연마패드(111)가 장착되는 베이스 또는 인접한 다른 베이스에 장착되며, 액체분사모듈(200)을 피벗 회전 가능하게 지지하는 회전지지부(210)를 포함할 수 있다.

아울러, 회전지지부(210)에 대한 액체분사모듈(200)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있도록, 액체분사모듈(200)의 회전축과 회전지지부(210)의 사이에는 통상의 베어링부재가 구비될 수 있다.

보다 구체적으로, 액체분사모듈(200)은 회전지지부(210)에 의해 피봇 회전 가능하게 지지되어, 회전지지부(210)를 중심으로 연마패드(111)의 내측 영역에 배치되는 분사위치에서 연마패드(111)의 외측 영역에 배치되는 대기위치로 회전하도록 구성된다.

이와 같이, 액체분사모듈(200)이 분사위치에 배치된 상태에서는, 액체분사모듈(200)로부터 분사되는 세정 액체에 의해 연마패드(111)의 표면이 세정될 수 있다. 반면, 연마패드(111)의 세정이 완료상태에서는 액체분사모듈(200)이 연마패드(111)의 바깥쪽(대기위치)에 배치되게 함으로써, 캐리어 헤드, 컨디셔너 또는 반전유닛과 같은 주변 장치와의 충돌을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.

액체 홀더(300)는 액체분사모듈(200)로부터 분사된 액체를 연마패드(111)의 표면 상에 일시적으로 잔류시키기 위해 구비된다.

여기서, 액체가 연마패드(111)의 표면 상에 잔류된다 함은, 연마패드(111)의 표면에 분사된 액체가 곧바로 연마패드(111)의 외측으로 빠져나가지 않고, 연마패드(111)의 표면에 분사된 액체가 연마패드(111)의 상면에 머무른 상태를 유지하는 것으로 정의된다.

바람직하게 액체분사모듈(200)은 상온과 다른 온도로 액체를 분사하고, 액체 홀더(300)에 의해 연마패드(111)의 표면 상에 잔류되는 액체를 매체로 연마패드(111)의 표면 온도를 조절한다.

이와 같이, 상온과 다른 온도로 액체를 분사하고, 액체분사모듈(200)로부터 분사된 액체가 액체 홀더(300)에 의해 연마패드(111)의 표면에 잔류되도록 하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 세정과 함께 연마패드(111)의 표면 온도 조절이 동시해 행해지도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 액체분사모듈(200)은 상온보다 높은 온도로 액체를 분사하도록 구성된다. 이와 같이, 상온보다 높은 온도를 갖는 액체가 액체 홀더(300)에 의해 연마패드(111)의 표면 상에 잔류되도록 하는 것에 의하여, 잔류된 액체를 매체로 연마패드(111)의 표면 온도를 조절할 수 있으므로, 연마패드(111)의 세정이 행해지는 중에(액체분사모듈(200)로부터 액체가 분사되는 동안) 연마패드(111)의 급격한 온도 변화를 방지하고, 연마패드(111)의 온도를 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는 액체분사모듈(200)이 상온보다 낮은 온도로 액체를 분사하는 것도 가능하다.

특히, 열용량이 큰 액상 액체(예를 들어, 순수)가 연마패드(111) 상에 머무는 시간을 늘려주어, 액상 액체와 연마패드(111)의 지속적인 열교환을 보장함으로써, 연마패드(111)의 급격한 온도변화를 억제하고, 연마패드(111)의 온도를 균일한 온도로 보다 신뢰성 있게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5를 참조하면, 액체분사모듈(200)은 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정이 완료된 후 액체를 분사하도록 구성된다. 즉, 기판에 대한 화학 기계적 연마 공정이 완료된 후, 다음 연마 공정 순서의 기판이 이송되기 전에 연마패드(111)가 대기 상태(연마 공정이 행해지지 않는 상태)에 있는 동안, 액체분사모듈(200)은 연마패드(111)에 액체를 분사하도록 구성된다.

이와 같이, 연마패드(111)가 대기 상태에 있는 동안, 연마패드(111)의 표면에 액체가 분사 및 잔류되도록 하는 것에 의하여, 연마패드(111)를 세정함과 동시에 연마패드(111)의 표면 온도를 미리 소정의 온도로 가열(또는 유지)할 수 있으므로, 다음 순서의 연마공정에서 연마패드(111) 상에 공급된 슬러리가 기판가지 흘러들어가는 과정에서 주변 온도(연마패드(111) 온도)에 의한 냉각을 최소화할 수 있으며, 초기연마 단계 시간을 보다 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 연마패드(111)의 대기 상태에서 연마패드(111)의 표면 온도는 상온보다 높은 온도로 가열(또는 유지)하도록 구성된다. 일 예로, 연마패드(111)에서 다음 차례의 연마공정이 진행되기 전(연마패드(111)의 대기 상태)에 연마패드(111)의 표면 온도는 35℃~100℃를 유지하도록 구성된다.

다시 말해서, 다음 순서의 연마 공정이 진행되기에 앞서, 상온보다 높은 온도(예를 들어, 35℃~100℃)의 액체를 연마패드(111)의 표면에 잔류시켜, 연마패드(111)의 온도를 상온보다 높게 유도한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 시작 단계에서, 슬러리가 연마패드(111)에 공급될 때에, 공급된 슬러리가 연마패드(111)를 통과하여 기판으로 전달되는 과정에서 슬러리의 온도가 주변과의 열교환에 의하여 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 상온보다 높은 온도의 슬러리가 연마패드(111)에 공급되어 기판으로 흘러들어 가도록 함으로써, 화학 기계적 연마 공정의 초기연마 단계에서, 기판 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 초기연마 단계에 소요되는 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 슬러리의 사용량을 저감할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 6 내지 도 9를 참조하면, 액체 홀더(300)는 연마패드(111)의 표면에 분사된 액체를 일시적으로 잔류시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 액체 홀더(300)는 연마패드(111)의 상면에 배치되고 'ㄱ'자 단면으로 형성되어 제1위치(P1)에서 연마 패드(111)의 상면에 근접하게 대향하는 저면(310s)을 구비한 홀더 몸체(310)와, 홀더 몸체(310)에 형성되며 연마패드(111)로 분사된 상기 액체가 'ㄱ'자 단면의 내부에 수용되는 액체수용홈(320)을 포함한다.

바람직하게 액체 홀더(300)는 도8 및 도9에 도시된 바와 같이 힌지부(55)에 의해 액체 분사 모듈에 회전 가능하게 장착된다. 이와 같이, 액체 홀더(300)를 액체분사모듈(200)에 회전 가능하게 장착하는 것에 의하여, 액체 홀더(300)를 장착하기 위한 회전축 또는 지지수단을 별도로 구비할 필요없이, 회전지지부(210)를 공용으로 사용할 수 있기 때문에, 구조를 간소화하고 공간활용성을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는, 액체 홀더(300)가 액체분사모듈(200)과 독립적으로 장착되는 것도 가능하다.

홀더 몸체(310)는 연마패드(111)의 상면에 밀착되거나 미세한 간격을 두고 이격되게 배치될 수 있다. 일 예로, 홀더 몸체(310)는 연마패드(111)의 반경 길이에 대응하는 길이를 갖는 직선 블럭 형태로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 홀더 몸체(310)가 곡선형 구조를 갖거나 여타 다른 기하학적 형태로 형성될 수 있으며, 홀더 몸체(310)의 형상 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

액체수용홈(320)은 함몰된 홈 형태를 갖도록 홀더 몸체(310)에 형성되며, 연마패드(111)에 분사된 액체를 수용함으로써, 연마패드(111)의 표면 상에서 액체가 일시적으로 잔류될 수 있게 한다.

바람직하게 액체수용홈(320)은 액체가 연마패드(111)에 분사되는 분사 위치의 둘레를 감싸도록 형성된다. 이와 같이, 액체수용홈(320)이 액체가 연마패드(111)에 분사되는 분사 위치의 둘레를 감싸도록 형성하는 것에 의하여, 액체가 분사된 직후 곧바로 액체수용홈(320)에 수용될 수 있으므로, 액체의 열손실을 최소화하고 액체와 연마패드(111) 간의 열전달이 보다 효율적으로 이루어지게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 액체수용홈(320)은 연마패드(111)의 중심에서 연마패드(111)의 가장자리까지 연속적으로 형성된다. 이와 같이, 액체수용홈(320)을 연마패드(111)의 중심에서 연마패드(111)의 가장자리까지 연속적으로 형성하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 온도 조절이 연마패드(111)의 반경 방향을 따라 전체적으로 균일하게 이루어지게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이때, 액체수용홈(320)은 직선 형태로 형성될 수 있으나, 경우에 따라서는 액체수용홈(320)이 곡선 형태로 형성되거나, 직선 형태와 곡선 형태가 혼합된 형태로 형성되는 것도 가능하다.

또한, 액체 홀더(300)에는, 액체수용홈(320)과 연통되며 액체수용홈(320)에 수용된 액체를 연마패드(111)의 외측으로 배출하는 액체배출구(322)가 형성된다. 일 예로, 액체배출구(322)는 연마패드(111)의 가장자리에 인접하도록 액체수용홈(320)의 일단에 형성될 수 있다.

바람직하게 액체수용홈(320)에서는 액체의 유입과 배출이 동시에 행해진다. 이와 같이, 액체수용홈(320)에서 액체의 유입과 배출이 동시에 행해지도록 하는 것에 의하여, 액체에 의한 열전달 효율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 연마패드(111)에 분사된 액체는 시간이 경과할수록 최초 분사된 직후의 온도와 편차가 발생하게 되는데, 액체수용홈(320)에서 액체의 유입과 배출이 동시에 행해지도록 하는 것에 의하여, 액체에 의한 열전달 효율(액체에 의해 연마패드(111)가 가열되는 정도)를 균일하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 액체분사모듈(200)에서 액체가 분사되는 동안 연마패드(111)는 회전하고, 액체 홀더(300)는 위치가 고정된다. 따라서, 액체 홀더(300)에 의해 잔류되는 액체에 의해 연마패드(111)의 전체 표면이 세정 및 온도 조절될 수 있다. 경우에 따라서는 액체분사모듈(200)에서 액체가 분사되는 동안 연마패드(111)의 회전이 정지되고 액체 홀더(300)가 연마패드(111)의 원주 방향을 따라 회전하도록 구성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 액체 홀더(300)는, 연마패드(111)의 표면에 인접하게 배치되는 제1위치와, 연마패드(111)의 표면으로부터 이격되게 배치되는 제2위치로 이동 가능하게 구비된다. 이때, 액체 홀더(300)가 제1위치에 배치되면 연마패드(111)의 표면에서 액체의 잔류 상태가 유지되고, 액체 홀더(300)가 상기 제2위치에 배치되면 연마패드(111)의 표면에서 액체의 잔류 상태가 해제된다.

이와 같이, 액체 홀더(300)가 선택적으로 제1위치에서 제2위치로 이동될 수 있도록 하는 것에 의하여, 세정과 연마패드(111)의 온도 조절이 필요한 경우에는 액체 홀더(300)를 제1위치에 배치할 수 있고, 세정만이 필요한 경우에는 액체 홀더(300)를 제2위치에 배치할 수 있다.

액체 홀더(300)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제1위치에서 제2위치로 이동하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 액체 홀더(300)는 회전지지부(210)(또는 액체분사모듈)에 힌지(hinge) 결합될 수 있으며, 힌지 결합 부위를 중심으로 회전하며 제1위치에서 제2위치로 이동하도록 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 액체 홀더가 제1위치에서 제2위치로 직선 이동하도록 구성하는 것도 가능하다.

또한, 도 10 및 도 11을 참조하면, 액체 홀더(300)에는 슬러리 공급슬롯(340)이 형성될 수 있으며, 기판의 화학 기계적 연마 공정을 위한 슬러리는 슬러리 공급슬롯(340)을 통해 연마패드(111)의 표면에 공급될 수 있다.

이와 같이, 슬러리 공급슬롯(340)을 액체 홀더(300)에 형성하는 것에 의하여, 슬러리를 공급하기 위한 공급수단을 별도로 구비할 필요없이, 액체 홀더(300) 자체를 슬러리 공급 용도로 공용으로 사용할 수 있기 때문에, 구조를 간소화하고 공간활용성을 증가시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 슬러리 공급슬롯(340)의 출구는 연마패드(111)를 마주하는 액체 홀더(300)의 저면에 형성된다. 이와 같이, 슬러리 공급슬롯(340)의 출구를 연마패드(111)를 마주하는 액체 홀더(300)의 저면에 형성하는 것에 의하여, 액체 홀더(300)의 저면으로 공급된 슬러리가 액체 홀더(300)에 자중에 의해 눌려지며 평평하게 펴질 수 있으므로, 슬러리의 도포 균일성을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치(2)는 연마패드(111)의 표면 온도를 측정하는 온도측정부(400)와, 온도측정부(400)에서 측정된 결과에 따라 액체의 온도를 제어하는 온도제어부(500)를 포함할 수 있다.

온도측정부(400)는 연마패드(111)의 온도를 측정하기 위해 마련된다. 온도측정부(400)로서는 통상의 접촉식 센서를 사용할 수도 있지만, 연마패드(111)가 회전하고 있으므로 비접촉식 센서를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

아울러, 온도측정부(400)는 연마패드(111)의 특정 부위의 온도를 측정하도록 구성될 수돌 있으나, 연마패드(111)의 여러 부위의 온도를 측정한 후 평균화한 평균값으로 연마패드(111)의 온도를 측정하는 것도 가능하다.

이를 통해, 세정 공정(액체분사모듈(200)로부터 액체 분사)이 시작되기 전에(또는 세정 공정이 행해지는 동안) 연마패드(111)의 온도 변화를 정확하게 감지할 수 있다.

온도제어부(500)는 온도측정부(400)에서 측정된 온도값을 수신받아 액체의 온도를 제어한다. 즉, 온도제어부(500)는, 연마패드(111)의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 초과한 경우에는 액체의 온도를 낮추도록 제어하고, 연마패드(111)의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 일어나는 최적의 온도를 미달하는 경우에는 액체의 온도를 높이도록 제어하여, 다음 순서의 연마공정에서 슬러리에 의한 화학적 연마가 보다 효율적으로 행해질 수 있도록 유도한다.

참고로, 본 발명에 기재된 '최적의 온도'란 기판 연마층의 재질, 슬러리의 종류, 연마패드(111)의 재질 및 사용기간 등 화학 기계적 연마 공정의 변수를 고려하여, 기판 연마층이 공기와 접하면서 발생된 미세한 산화막이 제거되기 쉬우면서 슬러리의 화학 반응이 원활히 이루어져 기판의 연마가 최적이 되는 상온보다 높은 온도(예를 들어, 30℃~180℃)를 지칭한다.

아울러, 도면에 도시되지 않았지만, 온도제어부(500)는 액체공급부(202)로부터 액체가 액체분사모듈(200)에 공급되기 직전에 액체를 가열하거나 냉각하여 원하는 온도가 되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 액체를 임시로 수용 탱크에 수용하여 열선이나 냉동 사이클에 의하여 가열하거나 냉각할 수도 있고, 액체를 이송하는 이송 파이프에 장착되는 열선이나 냉동 사이클에 의하여 액체의 온도를 조절할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110 : 연마정반 111 : 연마패드
140 : 컨디셔너 200 : 액체분사모듈
210 : 회전지지부 300 : 액체 홀더
310 : 홀더 몸체 320 : 액체수용홈
322 : 액체배출구 340 : 슬러리 공급슬롯
400 : 온도측정부 500 : 온도제어부

Claims (19)

1. 화학 기계적 연마장치로서,
   기판이 접촉하고 자전하는 연마패드와;
   상기 연마패드의 표면에 상온보다 높은 온도의 액체를 분사하는 액체분사모듈과;
   상기 액체분사모듈에 의해 분사된 액체를 수용하는 액체 수용홈과 상기 연마 패드의 온도 조절이 행해지는 제1위치에서 상기 연마 패드의 표면을 마주보는 대항면이 저면에 형성된 홀더 몸체를 구비하고, 상기 홀더 몸체가 상기 액체분사모듈에 힌지부에 의해 회전 가능하게 설치되어, 상기 연마 패드가 종료된 이후에 상기 홀더 몸체가 상기 제1위치에 위치하여 상기 액체 수용홈에 수용된 액체가 상기 저면과 상기 연마 패드의 표면의 사이를 통해 상기 연마 패드의 표면 상에 잔류시키는 잔류 상태가 되고, 상기 홀더 몸체가 상기 힌지부를 중심으로 상기 연마 패드로부터 멀어지는 방향으로 회전한 제2위치에서는 상기 액체의 잔류 상태가 해제되는 액체 홀더를;
   포함하고, 상기 제1위치에서는 상기 연마 패드의 온도를 상온보다 높게 유지시키는 온도 조절이 행해지고 상기 제2위치에서는 상기 연마 패드의 세정이 행해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 액체수용홈은 상기 액체가 상기 연마패드에 분사되는 분사 위치의 둘레를 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 액체수용홈은 상기 연마패드의 중심에서 상기 연마패드의 가장자리까지 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 액체수용홈은 직선 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 액체수용홈은 곡선 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 액체 홀더에는, 상기 액체수용홈과 연통되며 상기 액체수용홈에 수용된 상기 액체를 상기 연마패드의 외측으로 배출하는 액체배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 액체수용홈에서는 상기 액체의 유입과 배출이 동시에 행해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액체분사모듈에서 상기 액체가 분사되는 동안 상기 연마패드는 회전하고, 상기 액체 홀더는 위치가 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연마패드의 표면 온도를 측정하는 온도측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 온도측정부에서 측정된 결과에 따라 상기 액체의 온도를 제어하는 온도제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
    
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 홀더에는 슬러리 공급슬롯이 형성되고,
    상기 기판의 화학 기계적 연마 공정을 위한 슬러리는 상기 슬러리 공급슬롯을 통해 상기 연마패드의 표면에 공급되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 슬러리 공급슬롯의 출구는 상기 연마패드를 마주하는 상기 액체 홀더의 저면에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
    
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