KR102555813B1 - 패드 컨디셔닝 디스크 - Google Patents

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KR102555813B1 KR1020180114977A KR20180114977A KR102555813B1 KR 102555813 B1 KR102555813 B1 KR 102555813B1 KR 1020180114977 A KR1020180114977 A KR 1020180114977A KR 20180114977 A KR20180114977 A KR 20180114977A KR 102555813 B1 KR102555813 B1 KR 102555813B1
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남영석
이소리
이승만
한주철
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 평평한 일면을 갖는 원형의 베이스; 및 상기 일면에 배치되며, 제1 평균 높이를 갖는 복수의 제1 지립이 부착된 복수의 제1 영역과 상기 제1 평균 높이 보다 낮은 제2 평균 높이를 갖는 복수의 제2 지립이 부착된 복수의 제2 영역을 가지며, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 베이스의 중심을 기준으로 각각 제1 내각과 제2 내각을 이루며 교대로 회전 배치된 연마부;를 갖는 패드 컨디셔닝 디스크를 제공한다.

Description

패드 컨디셔닝 디스크{PAD CONDITIONING DISK}
본 발명은 패드 컨디셔닝 디스크에 관한 것이다.
최근에 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있으며, 이에 따라, 반도체 소자의 제조공정 중에 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마 공정(polishing process)이 필수적으로 병행된다. 상술한 연마공정 수행을 위해 웨이퍼의 화학적 및 기계적 연마를 동시에 수행하는 화학기계적 연마(CMP:Chemical Mechanicla Polishing) 장치가 널리 사용된다.
이러한 화학기계적 연마 장치가 널리 사용됨에 따라, 화학기계적 연마 장치의 유지 관리에 소모되는 비용이 증가하고 있으며, 이에 대한 개선이 필요하다. 특히, 연마 패드를 컨디셔닝하는 패드 컨디셔닝 디스크의 교체 주기를 증가시켜 유지 관리에 소모되는 비용을 감소시키려는 요구가 증가하고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 패드 컨디셔닝 디스크의 교체 주기를 연장하는 점에 있다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시예로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 평평한 일면을 갖는 원형의 베이스; 및 상기 일면에 배치되며, 제1 평균 높이를 갖는 복수의 제1 지립이 부착된 복수의 제1 영역과 상기 제1 평균 높이 보다 낮은 제2 평균 높이를 갖는 복수의 제2 지립이 부착된 복수의 제2 영역을 가지며, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 베이스의 중심을 기준으로 각각 제1 내각과 제2 내각을 이루며 교대로 회전 배치된 연마부;를 갖는 패드 컨디셔닝 디스크를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 패드 컨디셔닝 디스크는 교체 주기가 증가하여, 제조비용이 감소되는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학기계적 연마 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1 중 어느 하나의 플래튼을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 I방향에서 바라본 도면이다.
도 4는 도 3의 패드 컨디셔닝 디스크의 연마면을 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 제1 영역과 제2 영역의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 일 실시예의 패드 컨디셔닝 디스크의 변형예이다.
도 7(a)는 일 실시예의 패드 컨디셔닝 디스크의 초기상태의 단면을 도시한 것이다.
도 7(b)는 소정 시간이 경과한 후의 패드 컨디셔닝 디스크의 단면을 도시한 것이다.
도 8은 일 실시예와 비교예의 가동시간에 따른 패드 절삭율(pad wear rate)을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화학기계적 연마 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 화학기계적 연마 장치(100)는 제1 내지 제3 플래튼(platens)(200-1, 200-2, 200-3), 제1 내지 제4 연마 헤드(300-1, 300-2, 300-3, 300-4) 및 제1 내지 제3 슬러리 공급부(400-1, 400-2, 400-3)를 포함할 수 있다. 화학기계적 연마 장치(100)는 멀티 헤드 캐루셀(carousel)(360), 제1 내지 제3 컨디셔너(500), 기판 반전 유닛(150), 로드/언로드 유닛(170) 및 로봇(R)을 더 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 플래튼(200-1, 200-2, 200-3)에는 각각 연마 패드가 장착될 수 있다. 제1 내지 제3 플래튼(200-1, 200-2, 200-3)에는 각각 제1 내지 제3 연마 헤드(300-1, 300-2, 300-3) 및 제1 내지 제3 슬러리 공급부(400-1, 400-2, 400-3)가 배치될 수 있다.
제1 내지 제4 연마 헤드(300-1, 300-2, 300-3, 300-4)는 회전 가능한 멀티 헤드 캐루셀(carousel)(360)에 부착되어 제1 내지 제3 플래튼(200-1, 200-2, 200-3) 및 로드/언로드 유닛(170) 상으로 이동될 수 있다. 제1 내지 제4 연마 헤드(300-1, 300-2, 300-3, 300-4)는 승강 동작과 회전 동작이 각각 독립적으로 가능하도록 구성될 수 있다. 기판 반전 유닛(150)은 연마를 위해 로드/언로드 유닛(170)으로 기판을 반전하여 이송하거나, 로드/언로드 유닛(170)로부터 기판을 반전하여 반출할 수 있다. 로봇(R)은 연마될 기판을 기판 반전 유닛(150)에 이송하거나, 연마가 끝난 기판을 기판 반전 유닛(150)로부터 반출할 수 있다. 제1 내지 제3 컨디셔너(500-1, 500-2, 500-3)는 상기 연마 패드의 상태를 조절하여 일정한 연마율을 유지할 수 있게 한다.
도 1에 도시된 화학기계적 연마 장치(100)는 본 발명의 일 실시예가 수행될 수 있는 여러 개의 플래튼을 구비하는 연마 장치를 예시적으로 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 다양한 구조의 화학기계적 연마 장치에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 여러 개의 플래튼들이 선형적으로 배치된 화학기계적 연마 장치에서 수행될 수 있다.
이하에서는, 도 2 및 내지 도 3을 참조하여, 제1 내지 제3 플래튼(200-1, 200-2, 200-3) 중 임의의 플래튼(200)을 기준으로 화학기계적 연마 장치(100)에 대해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 플래튼(200) 상에 연마 헤드(300), 슬러리 공급부(400) 및 컨디셔너(500)가, 회전 방향(D1)을 따라 각각 순차적으로 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 플래튼(200)은 웨이퍼(W)가 화학기계적 연마되는 장소를 제공하는 연마 패드(210)가 상면에 부착되고, 하부에 회전축(220)이 연결되어 모터와 같은 구동장치에 의해 회전 운동할 수 있다.
상기 연마 헤드(300)는 하부에 화학기계적 연마하려는 웨이퍼(W)가 진공에 의해 부착될 수 있다. 상기 연마 헤드(300)는 웨이퍼(W)를 연마 패드(210)에 일정한 압력으로 밀착시키며, 회전축(320)에 의해 회전함으로써 웨이퍼(W)를 화학적 기계적으로 연마할 수 있다.
상기 슬러리 공급부(400)는 상기 연마 헤드(300)와 회전 방향(D1)으로 이격 배치되어 상기 연마 패드(210)에 슬러리(SL)를 분사함으로써, 웨이퍼(W)를 연마하는 과정에서 연마 패드(210)에 잔류하는 연마 부산물을 세정할 수 있다. 슬러리(SL)는, 산화제, 수산화제, 연마 입자, 계면 활성제, 분산제, 기타 촉매제 등을 포함할 수 있다. 슬러리(SL)에 포함된 연마 입자는, 웨이퍼(W)를 기계적으로 연마할 수 있다. 연마 입자는, 실리카(silica), 알루미나(alumina), 또는 세리아(ceria) 입자를 포함할 수 있다.
상기 슬러리 공급부(400)는 컨디셔너(500)와 인접하여 배치되거나, 회전 방향(D1)의 반대 방향으로 소정 간격으로 이격하여 배치될 수 있다. 슬러리 공급부(400)에서 분사된 슬러리(SL)는 연마 패드(210)가 회전함에 따라 컨디셔너(500)로 유입되어, 컨디셔너(500)가 연마 패드(210)를 컨디셔닝하는 과정에서 발생하는 연마 부산물을 세정하여 플래튼(200)의 외곽으로 배출되게 수 있다.
상기 컨디셔너(500)는 상기 연마 패드(210)의 표면 상태를 균일하게 하기 위해, 연마 패드(210)의 표면을 다이아몬드 입자와 같은 지립(abrasive)이 부착된 디스크로 연마하여, 연마 패드(210)의 거칠기(roughness)를 재현하는 컨디셔닝 공정을 수행할 수 있다. 상기 컨디셔너(500)는 연마 패드(210)에 접촉되어 컨디셔닝을 수행하며 저면에 지립이 부착되어 있는 패드 컨디셔닝 디스크(530)와, 상기 패드 컨디셔닝 디스크(530)를 지지하기 위한 디스크 홀더(521)가 부착될 수 있다. 상기 디스크 홀더(521)는 상부에 회전축(520)이 연결되어 모터와 같은 구동장치에 의해 회전 운동할 수 있다. 상기 회전축(520)의 일단에는 상기 패드 컨디셔닝 디스크(530)를 좌우 양방향으로 왕복 이동시키는 암(arm)(510)이 배치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 패드 컨디셔닝 디스크(530)는 평평한 일면을 갖는 원형의 베이스(535) 및 베이스(535)의 일면에 배치된 연마부(531)를 포함할 수 있다.
상기 베이스(535)는 세라믹 또는 실리콘과 같은 견고한 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 연마부(531)는 연마 패드(210)와 접하는 면에 배치되며, 지립들이 본딩층(534)을 매개로 부착될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연마부(531)는 패드 컨디셔닝 디스크(530)의 중심(C)을 기준으로 교대로 회전 배치되며, 제1 평균 높이(H1)를 갖는 제1 지립(G1)이 부착된 제1 영역(532)과, 제2 평균 높이(H2)를 갖는 제2 지립(G2)이 부착된 제2 영역(533)을 가질 수 있다.
제1 영역(532)에 부착된 제1 지립(G1)과 제2 영역(533)에 부착된 제2 지립(G2)은 동일한 조성을 갖는 물질로 이루어 질 수 있으며, 예를 들어 다이아몬드 입자로 이루어질 수 있다. 제2 지립(G2)의 제2 평균 높이(H2)는 제1 지립(G1)의 제1 평균 높이(H1) 보다 높게 구성될 수 있다. 제1 지립(G1)은 제2 지립(G2)과 유사한 형상을 가지며 입자가 더 큰 것일 수 있다. 따라서, 연마부(531)의 제1 영역(532)과 제2 영역(533)은 단차를 갖도록 배치될 수 있다.
제1 영역(532)과 제2 영역(533)은 베이스(535)의 일면에 배치된 연마부(531) 상에, 각각 패드 컨디셔닝 디스크(530)의 중심(C)을 기준으로 각각 제1 내각(θ1)과 제2 내각(θ2)을 갖는 부채꼴 형상을 가지도록 배치될 수 있으며, 제1 영역(532)과 제2 영역(533)은 교대로 회전배치될 수 있다. 제1 영역(532)과 제2 영역(533)은 동일한 개수로 교대로 회전 배치될 수 있다. 다만, 제1 영역(532)과 제2 영역(533)의 형상을 부채꼴 형상으로 한정하는 것은 아니며, 연마부(531)의 형상에 따라 삼각형의 형상을 가질 수도 있다.
제1 영역(532)은 연마부(531)의 30% 내지 50%의 면적을 갖도록 배치될 수 있으며, 나머지 부분에는 제2 영역(533)이 배치될 수 있다. 일 실시예는 연마부(531) 중 제1 영역(532)이 30%이고, 제2 영역(533)이 70%인 경우로서, 제1 영역(532)과 제2 영역(533)이 각각 9개이고, 제1 내각(θ1)은 12°이며, 제2 내각(θ2)은 28°인 경우를 예로 설명한다.
도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제1 영역과 제2 영역의 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 도 6(a)는 패드 컨디셔닝 디스크(1530)의 연마부(1531) 중 제1 영역(532)이 40%이고, 제2 영역(533)이 60%인 경우로서, 제1 영역(1532)과 제2 영역(1533)이 각각 12개이고, 제1 내각(θ3)은 12°이며, 제2 내각(θ4)은 18°인 경우이다. 도 6(b)는 패드 컨디셔닝 디스크(2530)의 연마부(2531) 중 제1 영역(2532)이 50%이고, 제2 영역(2533)이 50%인 경우로서, 제1 영역(2532)과 제2 영역(2533)이 각각 15개이고, 제1 내각(θ5)은 12°이며, 제2 내각(θ6)은 12°인 경우이다.
일 실시예의 경우, 연마부(531)의 제1 영역(532)과 제2 영역(533)이 단차를 가지며 교대로 회전 배치된 구조를 가짐으로써, 종래에 비해 우수한 컨디셔닝 효과를 가질 수 있다. 이에 관하여 자세하게 설명한다.
일반적으로, 패드 컨디셔닝 디스크(530)는 컨디셔닝에 사용되는 시간이 증가함에 따라 연마부에 부착된 지립의 마모가 진행되며 일부 지립은 본딩층에서 탈락되게 된다. 지립이 본딩층에서 탈락되지 않고 균일하게 마모되면, 컨디셔닝된 연마 패드의 표면의 기공(pore)이 매워져 매끈해지는 이른바 글레이징(grazing)이 발생하게 된다. 따라서, 균일하게 마모된 연마부는 연마 패드의 거친 영역을 다져 매끄럽게 하는 시즈닝(seasoning) 기능을 할 수 있으나, 그 정도가 과하면, 연마 패드의 연마 효율이 저하될 수 있다. 또한, 연마 패드의 기공이 매워짐에 따라, 연마 패드의 슬러리 저장성이 저하되어 연마 패드에 연마되는 웨이퍼의 연마품질이 저하시킬 수 있다.
일 실시예의 경우, 패드 컨디셔닝 디스크(530)의 연마부(531)에 단차를 형성하여, 연마부(531)가 균일하게 마모되는 것이 방지될 수 있다. 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하여 이에 대해 설명한다.
도 7(a)는 일 실시예의 패드 컨디셔닝 디스크의 초기상태의 단면을 도시한 것으로, 제1 지립(G1)이 부착된 제1 영역(532)만 연마 패드(210)와 접촉하여, 연마 패드(210)의 표면을 연마하는 것을 볼 수 있다.
다만, 최초에는 패드 컨디셔닝 디스크(530)의 연마부(531) 중 제1 영역(532)만 연마 패드(210)의 표면을 연마하게 되므로, 제1 영역(532)의 면적이 지나지게 좁게 되면 연마부(531)의 연마 효율이 낮아지는 단점이 발생할 수 있다. 일 실시예의 경우, 이러한 문제를 해소하기 위해 제1 영역(532)이 연마부(531)의 30% 내지 50%이내의 범위를 갖도록 배치될 수 있다. 제1 영역(532)의 비율이 30% 미만이 되면 연마 패드(210)를 컨디셔닝하는 효율이 급격하게 낮아지며, 제1 영역(532)의 비율이 50%을 초과하면 제1 영역(532)의 마모도가 지나지게 증가하여 컨디셔닝 품질이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
도 7(b)는 소정 시간이 경과한 후의 패드 컨디셔닝 디스크의 단면을 도시한 것으로, 제1 영역(532)의 제1 지립(G1)이 제2 영역(533)의 제2 지립(G2)의 제1 평균 높이까지 마모되어 제1 지립(G1)이 연마 패드(210)와 접촉하는 면(P)이 증가한 것을 볼 수 있다. 따라서, 제2 영역(533)은 연마 패드(210)의 표면을 연마하여 거칠기를 형성하고 기공 내의 불순물을 제거하는 역할을 할 수 있으며, 제1 영역(532)은 제2 영역(533)에 의해 형성된 거친 부분을 다지는 시즈닝의 역할을 할 수 있다.
따라서, 일 실예의 패드 컨디셔닝 디스크(530)는 연마 패드(210)의 연마와 시즈닝이 동시에 수행할 수 있으므로 연마 패드(210)의 연마 품질을 균일하게 유지하면서도, 패드 컨디셔닝 디스크(530)의 가동시간을 연장할 수 있다.
도 8은 일 실시예의 패드 컨디셔닝 디스크와 비교예의 패드 컨디셔닝 디스크 의 가동시간(life time)에 따른 연마 패드 절삭율(pad wear rate; PWR)을 도시한 그래프이다. 연마 패드 절삭율의 최고값과 최소값의 차이가 클수록 연마 대상물의 연마 품질이 균일하지 않은 것을 의미한다.
가동시간이 약 10시간이 되기까지의 범위(A1)에서는 일 실시예(GP1)와 비교예(GP2)의 PWR이 크게 차이 나지 않으나, 가동시간이 약 10시간을 초과하는 범위(A2)에서는 일 실시예(GP1)의 PWR의 최고값(MAX1)과 최소값(MIN1)의 차이가 비교예(GP2)의 PWR의 최고값(MAX2)과 최소값(MIN2)의 차이에 비해 현저하게 작은 것을 볼 수 있다. 따라서, 일 실시예의 경우, 비교예에 비해 연마 품질을 유지할 수 있는 가동시간이 증가함을 알 수 있다. 패드 컨디셔닝 디스크의 가동시간이 증가함에 따라, 패드 컨디셔닝 디스크의 교체 주기가 증가할 수 있으며, 이는 제조비용 감소의 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 화학기계적 연마 장치 200: 플래튼
400: 슬러리 공급부 500: 컨디셔너
510: 암 520: 회전축
521: 디스크 홀더 530: 패드 컨디셔닝 디스크
531: 연마부 532: 제1 영역
533: 제2 영역 534: 본딩층
535: 베이스 SL: 슬러리
G1: 제1 지립 G2: 제2 지립

Claims (10)

  1. 평평한 일면을 갖는 원형의 베이스; 및
    상기 일면에 배치되며, 제1 평균 높이를 갖는 복수의 제1 지립이 부착된 복수의 제1 영역과 상기 제1 평균 높이 보다 낮은 제2 평균 높이를 갖는 복수의 제2 지립이 부착된 복수의 제2 영역을 가지며, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 베이스의 중심을 기준으로 각각 제1 내각과 제2 내각을 이루며 교대로 회전 배치된 연마부;
    를 포함하며,
    상기 제1 영역은 상기 연마부의 30% 내지 50%의 면적을 가지며,
    상기 제1 평균 높이는 상기 제2 평균 높이보다 10% 내지 25% 크고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 각각 제1 내각과 제2 내각을 갖는 부채꼴 형상을 가지며,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 교번적으로 배치되고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 동일한 개수로 배치되는 패드 컨디셔닝 디스크.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 내각은 상기 제1 내각보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 내각은 12°인 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 내각은 12°, 18° 및 28° 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지립과 상기 제2 지립은 동일한 조성의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 지립과 상기 제2 지립은 다이아몬드 입자인 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.

  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 지립과 상기 복수의 제2 지립은 상기 베이스 상에 본딩층에 의해 접착된 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 영역과 상기 복수의 제2 영역은 동일한 개수로 이루어진 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 디스크.
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