KR19980063880A - 화학 기계 연마용 플래튼 코팅 구조체 및 방법 - Google Patents

화학 기계 연마용 플래튼 코팅 구조체 및 방법 Download PDF

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Abstract

화학 기계 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing) 장치 콤포넌트들로 하여금 부식되는 것을 보호하기 위한 구조가 플래튼(32)의 표면들 상에 형성된 용해하기 쉬운(refractory) 금속 산화 코팅 층(33)을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 상기 용해하기 쉬운 금속 산화 코팅 층(33)은 플라즈마-플레임 스프레이형(plasma-flame sprayed) 크롬-산화 층이다. 다른 실시예에 있어서, 봉입 층(42)이 추가의 보호를 위해 용해하기 쉬운 금속 산화 코팅 층(33)의 최소한 포어들(41)내에 위치한다. 상기 용해하기 쉬운 금속 산화 코팅 층(33)은 또한 부식하기 쉬운 다른 CMP 장치 콤포넌트들을 보호하기에 적합하다.

Description

화학 기계 연마용 플래튼 코팅 구조체 및 방법
본원 발명은 일반적으로 반도체 처리 및 특히 연마 및 평면화(planarizing) 물질들에 대한 구조체 및 방법들에 관한 것이다.
화학 기계 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing)는 통상적으로 후속 층을 퇴적시키기 전에 반도체 기판상에 형성된 물질로 된 층 또는 층들을 평면화하기 위해 반도체 제작시 사용되는 기술이다. 물질 층을 평면화하기 위해, 상기 반도체 기판이 플래튼, 상기 플래튼상에 장착된 연마 패드, 및 상기 플래튼이 이동하고 있는 동안 상기 연마 패드상에서 상기 반도체 기판을 홀딩, 이동, 및 회전시키는 연마 암(polishing arm)을 포함하는 CMP 장치 상에 위치하게 된다. 슬러리(slurry)가 연마 패드 상에 퇴적되며 이동(예를 들면, 회전, 궤도 이동, 또는 병진 이동)의 플래튼 속도, 압력, 및 온도와 함께 상기 반도체 기판으로부터 물질을 화학적 및 기계적으로 이동시키도록 작용한다.
현재 사용하고 있는 슬러리들은 상기 CMP 장치의 콤포넌트들과 반응하는 경향이 있으며, 그에 따라 부식이 발생하게 한다. 이것은 상기 콤포넌트들의 실제 수명을 감소시킨다. 또한, 상기 부식은 프로세스 오염 및 불필요한 프로세스 변화를 초래한다. 반도체 제조업자들이 새로운 물질들을 반도체 제조 프로세스들내에 사용함에 따라, 기존의 슬러리 화학 물질보다 더 부식하기 쉬울 수도 있는 새로운 슬러리 화학 물질들이 개발되고 있다.
그러므로, 프로세스 관련 부식에 대한 CMP 장치의 민감성을 감소시키는 방법들 및 구조체들이 요구된다. 이러한 방법들 및 구조체들은 신뢰할 만하고 아울러 가격이 적당해야 하며, 상기 CMP 프로세스에 대해 변화 및 오염을 일으켜서는 안된다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMP 장치를 투시도로 도시한 도면.
도 2는 본원 발명에 따른 플래튼 구조의 일부분에 대한 횡단면도.
도 3은 본원 발명에 따른 플래튼 구조의 일부분에 대한 다른 실시예를 도시한 도면.
도 4는 본원 발명에 따른 CMP 장치의 일부분에 대한 다른 실시예를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
32 : 플래튼33 : 코팅 또는 보호 층
36 : 주 표면39 : 플래튼의 상부 외부 에지
41 : 포어42 : 봉입 층
CMP 프로세싱에 있어서, 상기 플래튼 구조가 평평해지고 정확한 기하학을 갖는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우, 처리되고 있는 기판은 높은 평탄도로 연마 또는 평면화될 것이다. 게다가, 상기 플래튼 구조체가 상기 기판을 연마 또는 평면화하는데 사용되는 화학 물질들에 저항성을 갖는 것이 중요하다. 일반적으로, 본원 발명은 코팅들이 평면화 프로세스 환경에 보다 더 잘 적응하도록 하기 위해 플래튼 구조체들과 같은 CMP 장치 콤포넌트들의 표면들 상에 형성된 코팅에 관한 것이다.
도 1은 플래튼 또는 이동 지지 부재(12) 또는 연마 패드(13)를 포함하는 종래 기술의 CMP 장치(11)의 간단한 투시도이다. 연마 헤드 또는 캐리어 어셈블리(17) (외부 일부를 잘라낸 형태로 도시된)와 함께 연마 암(14)은 연마 패드(13)에 대한 세트 힘 하에서 반도체 기판, 웨이퍼, 기판, 또는 워크 피스(18)를 홀딩한다. 기판(18)은 제거될 물질 층을 포함한다. 대신, 기판(18) 자체가 연마된다.
CMP 장치(11)가 또한 연마 패드(13)상에 슬러리를 퇴적시키는 슬러리 제거 장치(21), 및 연마 패드(13)를 조절하는 조절 어셈블리(22)를 포함한다. CMP 장치(11)와 같은 CMP 제품들은 Arizona, Phoenix의 IPEC/Planar와, Arizona, Chandler의 Speedfam과, California, Santa Clara의 Applied Materials, 및 California, San Luis Obispo의 Strabaugh와 같은 회사들로부터 입수 가능하다.
연마 프로세스 동안, 플래튼(12) 및 연마 패드(13)가 화살표(26) (또는 그 반대 방향)에 따라 회전되며, 연마 헤드(17) 및 웨이퍼(18)가 화살표(27) (또는 그 반대 방향)에 따라 회전한다. 더욱이, 연마 암(14)은 연마 패드(13)를 전후하여 발진한다. 연마 슬러리가 슬러리 제거 장치(21)로부터 제거되며, 물질(들)이 널리 공지된 화학 및 기계 수단에 의해 기판(18)으로부터 제거된다.
플래튼(12)은 전형적으로 알루미늄 또는 스테인레스 강으로 이루어진다. 알루미늄은, 스테인레스 강보다 비교적 덜 덩어리가 되기 쉽고, 보다 양호한 열 전달 특성들을 가지며, 덜 비싸므로 양호하다. 그러나, 알루미늄은 양성적이므로, 산성 및 알칼리성의 슬러리 혼합물에 의해 부식하기 쉽다.
부식은 전형적으로 플래튼(12)의 외부 에지(15)로부터 안쪽으로 발생한다. 이것도 반도체 제조업자들로 하여금 패드(13) 및 플래튼(12)의 외부 부분(16)상에서의 연마를 막기 위해 프로세스 조절을 하도록 하면서 플래튼(15)의 평탄도를 파괴한다. 이것은 또한 연마 시간을 증가시킨다. 또한, 상기 부식은 연마 시간을 증가시킨다. 아울러, 상기 부식은 플래튼(12)의 유용한 수명을 감소시키며, 그에 따라 처리 비용을 증가시키고, 프로세스 다운 시간(process down time)을 증가시킨다. 더욱이, 상기 부식은 기판이 연마되고 있는 동안 기판을 손상시킬 수 있는 입자들을 발생시킨다.
양극 처리는 알루미늄 플래튼들을 보호하기 위해 사용된 한 기술이다. 그러나, 반도체 제조업자들은 연마 패드(13)를 플래튼(12)에 부착시키고, 상기 패드를 적응시키기 위해 트리밍시킬 때, 패드를 트리밍시키기 위한 기기가 종종 상기 양극 처리 코팅을 손상시킨다. 결과적으로, 부식이 상기 영역들내에서 발생하기 시작할 수 있으며, 부식의 시작 시점동안 양극 코팅하에서 스프레드하기 시작하고, 결국 양극화된 코팅 전체를 제거한다. 상기 알루미늄 베이스 금속은 그후 심각한 화학적 영향(attack)을 받기 쉽다.
다른 실시예에 있어서, 프런트 엔드 기기 제조업자들은 추가의 보호를 위해 플래튼(12)상에 폴리머 물질들(예를 들면, 에폭시 수지 물질)을 위치시킨다. 상기 폴리머 물질들에 따른 한 문제점은 이들 물질이 특히 패드 트리밍 프로세스동안 불량한 표면 경도를 가지며 쉽게 손상된다는 것이다. 또한, 상기 폴리머 코팅들은 연마 프로세스에 나쁜 충격을 줄 수 있는 불량한 열 전달 특성들을 갖는다. 플래튼(12)은 전형적으로 상기 연마 프로세스동안 발생된 열을 제거하도록 물로 냉각된다. 폴리머 막은 플래튼(12)으로부터 패드(13)를 분리시키도록 작용하며, 그에 따라 패드(13)로부터 열을 제거하도록 플래튼(12)의 기능을 감소시킨다.
스테인레스 강 플래튼들이 몇몇 슬러리 화학 물질들에서 알루미늄 플래튼들보다 부식에 덜 민감할 지라도, 그들은 여전히 다른 슬러리 화학 물질에서 영향을 받는다. 또한, 스테인레스 강 플래튼들은 알루미늄 플래튼들보다 상당히 비싸다. 더욱이, 그들의 무게로 인해, 스테인레스 강 플래튼들은 보다 강력한 구동 모터들을 필요로 하며, 이는 설비 및 동작 비용을 부가시킨다. 또한, 스테인레스 강 플래튼들은 불량한 열 전달 특성들을 가지며 그에 따라 반도체 제조업자들로 하여금 과도한 열 형성을 막기 위한 제거 속도를 저감시키는 것과 같은 프로세스 변경들을 실행하도록 요구한다. 이것은 프로세스 처리량을 감소시킨다. 스테인레스 강 플래튼들은 또한 패드 트리밍 프로세스동안 손상에 민감하다.
도 2는 본원 발명에 따른 플래튼 또는 지지 부재(32)의 일부분에 대한 횡단면도이다. 플래튼(32)은 양호하게도 알루미늄, 스테인레스 강, 또는 기타 물질들을 포함한다. 플래튼(32)은 당해 플래튼(32)의 주 표면상 또는 그 표면에 걸쳐 형성 또는 퇴적된다. 주 표면(36)은 종래 기술의 플래튼(12)과 함께 도 1에 도시된 바와 같은 패드(13) 및 기판(18)을 지지한다.
양호하게도, 코팅(33)이 도 2에 도시된 바와 같은 플래튼(32)의 외부 측 표면(37)상에 형성된다. 코팅(33)은 양호하게도 슬러리 물질들에 노출된 플래튼(32)의 모든 표면들상에 걸쳐 형성된다. 다른 실시예에 있어서, 이 표면이 전형적으로 상기 CMP 장치상의 자체 위치로 인해 슬러리 물질들로부터 보호된다.
양호한 실시예에 있어서, 챔퍼(chamfer) 또는 베벌(bevel : 38)이 플래튼(32)의 상부 외부 에지(39)에 형성된다. 챔퍼(38)는 다른 것들 중 코팅(33)으로 커버하기 어려울 수 있는 예리한 에지들을 제거하는데 우선적으로 사용된다. 이것은 또한 에지 치핑(edge chipping)에 대한 퍼텐셜을 감소시키는데, 이는 언더라잉 플래튼을 노출시켜 부식시킬 수 있다.
본원 발명에 따라, 코팅(33)이 용해하기 쉬운 금속 산화 물질 또는 산화 세라믹 물질을 포함한다. 양호하게도, 코팅(33)은 크롬-산화물 층등을 포함한다. 코팅(33)은 플라즈마-플레임 스프레이, 열적 스프레이, 화학 증착(CVD)을, 또는 페인트-온(paint-on) 기법을 사용하여 형성된다. 양호하게도, 코팅(33)은 약 0.125 ㎜ 내지 0.500 ㎜(약 5 mils 내지 20 mils)의 범위의 두께를 갖는다.
다음은 플래튼(32)상에 코팅(33)을 형성하기 위한 양호한 프로세스 시퀀스이다. 챔퍼(38)는 플래튼(32)의 상부 외부 에지(39)에 가장 먼저 형성된다. 플래튼(32)이 알루미늄을 포함할 경우, 모든 기존의 양극화된 층이 그때 제거된다. 코팅되는 플래튼(32)의 표면들이 그후 플래튼(32)을 거칠게 하고 청결하게 하도록 그리트 블래스팅(예를 들면, 가닛(garnet)을 사용하여)된다. 다음, 코팅(33)이 플래튼(32)상에 퇴적된다. 아르곤 보호막에서 플라즈마-플레임 스프레이 처리는, 상기 퇴적에 대한 화학 작용을 일으키지 않는 환경을 제공하기 때문에, 코팅(33)을 퇴적시키는 한 양호한 기법이다. 이것은 고유의 산화물 형성을 감소시켜 막 점착력을 향상시킨다.
플라즈마-플레임 스프레이 기법을 사용할 때, 플래튼(32)이 약 120℃ 내지 약 150℃의 온도에서 유지되는 것이 양호하다. METCO P106 크롬 또는 그의 등가물(예를 들면, NORTON 328)과 같은 크롬-산화물이 적절하다. METCO P106 크롬-산화물 소스가 New York, Westbury의 METCO로부터 입수 가능하다. 양호하게도, 상기 플라즈마-플레이밍 스프레잉 프로세스에 사용된 노즐은 종종 변화되며 불필요한 코팅 불규칙성들(예를 들면, 범프들)의 형성을 막기 위해 당해 프로세스동안 청결하게 유지된다. 플라즈마-플레임 스프레이 프로세싱 서비스들이 Arizona, Tempe의 Advanced Materials Technologies Incorporated(AMTI)로부터 입수가능하다.
코팅(33)을 형성한 후, 플래튼(32)이 초음파 바쓰안에서 순수한 아세톤을 사용하여 세척된다. 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 봉입 층(42)이 양호하게도 추가의 보호를 제공하기 위해 코팅(33)내에 존재하는 모든 포어들(41)을 채우도록 코팅(33)상에 형성된다. 양호하게도, 봉입 층(42)은 METCO 185와 파라핀 왁스를 포함한다. 봉입 층(42)을 인가하기 위해, 플래튼(32)의 적절한 온도(상기 METCO 185에 대해 95℃)로 가열되며, 상기 봉입제는 그후 포어들(41)이 채워질 때(이것은 전형적으로 상기 봉입제가 소멸을 멈추고 상기 포어들을 넘어 축적되기 시작할 때 발생함)까지 코팅(33)상에서 러빙된다. 양호하게도, 소형의 챔퍼들이 그후 플래튼내의 종앙 홀주위의 플래튼의 낮은 표면 주위와 상기 플래튼의 측면에 존재하는 임의의 키 홀들 주위에서 절단된다. 이들 챔퍼들이 부가될 때, 플래튼(32)은 이들 영역내에서 봉입제 층(42)으로 재 봉입된다. 양호하게도, 플래튼(32)은, 일단 상기 CMP 장치상에 위치하게 되면 약 24시간 동안 이온이 제거된 물에서 계속적으로 린스된다.
코팅에 대한 한 주된 요구 조건은 이 코팅(33)이 플래튼(32)에 잘 점착되어야만 한다는 것이다. 이것은 패드(13)가 전형적으로 압력 감도 점착제(PSA : Pressure Sensitive Adhesive)를 사용하여 플래튼에 부착된다. 대체해야 할 닳은 패드를 제거하는 데 상당한 힘이 요구된다. 이 힘은 보호 코팅의 딜레미네션(delamination)에 도달할 수 있다. 점착 테스팅이 상기 프로세스를 사용하여 형성된 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬-산화 샘플들상에 형성되었다. CR Politex 패드 물질이 CMP 프로세싱에 적합한 PSA 물질을 사용하여 상기 샘플들에 부착되었다. 결과는 중간 필 테스트에 대해 (1.85의 표준 편차를 가진) 25.5 ounces/half inch의 평균과, 상기 코팅의 형성후 필 테스트 24 시간동안 (1.5의 표준 편차를 가진) 30. 5 oz/half inch의 평균, 및 슬러리 서브 머지의 18시간 후 필 테스트동안 (0.45의 표준 편차를 가진) 19.0 oz/half inch의 평균을 보여주었다. 이들 결과는 코팅(33)이 플래튼(32)에 잘 부착하는지를 보여주었다.
또한, 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬-산화물 코팅 및 파라핀 왁스 봉입제가 우수한 열 전달 특성을 제공한다는 것이 발견되었다. 이것은 용해하기 쉬운 금속 산화물과 같은 산화 세라믹 물질들의 절연 성질로 인해 예상되지 않았다. 또한, 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬 산화 코팅은 사실상 슬러리 화학 물질들에 존재하는 모든 요소들에 대해 저항한다. 게다가, 상기 코팅은 상기 패드 트리밍 프로세스로 부터의 손상에 저항하는 높은 표면 경도를 갖는다. 더욱이, 손상이 코팅(33)에 발생하지 않을 경우, 플래튼(32)은 전체 코팅을 스트립하지 않고 플라즈마-플레임 스프레이형 프로세스를 사용하여 재 작용될 수 있음이 발견되었다. 이것은 재-프로세싱 비용을 감소시킨다.
도 4는 본원 발명에 따른 CMP 장치의 확대된 횡단면도이다. 콤포넌트(52)는 알루미늄, 스테인레스 강 등과 같은 금속을 포함한다. 콤포넌트(52)의 예들은 캐리어 장치(도 1에 도시된 것과 같은 장치), 조절 장치(도 1에 도시된 것과 같은 장치) 및 /또는 기타 등등의 장치를 포함한다. 코팅(33)은 프로세싱 동안 슬러리에 노출될 표면들을 보호하기 위해 콤포넌트(52)상에 퇴적된다. 코팅(33)은 상술된 기법들을 사용하여 형성된다.
이제까지, 금속 CMP 장치 콤포넌트들에 잘 점착하고, 사실상 슬러리 화학 물질내에 존재하는 모든 요소들에 저항하며, 양호한 열 전달 특성들을 제공하며, 높은 표면 경도를 가진 용해하기 쉬운 금속 산화 코팅이 제공되었음이 인지되어야 한다. 더욱이, 플라즈마-플레임 스프레이 기법을 사용하는 코팅의 응용은 비용이 적절하다.

Claims (4)

  1. 플래튼 코팅 구조체에 있어서, 제 1 주 표면(36)을 가진 플래튼(32); 및 상기 제 1 주 표면상에 형성되며 용해하기 쉬운 금속 산화물을 함유하는 코팅(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플래튼 코팅 구조체.
  2. 기판으로부터 물질을 제거하는 방법에 있어서,
    기판(18)을 제공하는 단계와;
    플래튼(32)을 가진 CMP 장치상에 상기 기판을 배치시키는 단계로서, 상기 플래튼(32)이 주 표면(36) 및 이 주 표면상에 형성된 산화 세라믹 코팅(33)을 포함하는 기판 배치 단계; 및
    상기 CMP 장치에 의해 상기 기판(18)으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 제거 방법.
  3. 워크피스로부터 물질을 제거하는 방법에 있어서,
    제 1 물질을 포함하는 워크 피스(18)를 제공하는 단계와;
    상기 워크 피스를 지지 부재(32)를 가진 연마 장치상에 배치시키는 단계로서, 상기 지지 부재(32)가 연마 과정 동안 상기 워크 피스를 지지하기 위한 주 표면(36)을 포함하며, 상기 지지 부재(32)가 상기 주 표면(36)상에 형성된 퇴적된 용해하기 쉬운 금속 산화물 층(33)을 포함하는 워크 피스 배치 단계; 및
    상기 워크 피스(18)로부터 제 1 물질의 최소한 일부분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 제거 방법.
  4. CMP 장치에 있어서,
    연마 슬러리에 노출시 부식에 민감한 표면을 가진 금속 콤포넌트(52); 및
    상기 표면상에 형성된 용해하기 쉬운 금속 산화 보호 층(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
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