KR19980081811A - 고평탄도로 기판을 연마할 수 있는 자동연마장치 - Google Patents

고평탄도로 기판을 연마할 수 있는 자동연마장치 Download PDF

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KR19980081811A
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Abstract

자동연마장치는 인덱스 테이블을 구비한다. 로딩 스테이션, 1 차 연마스테이션, 2 차 연마스테이션 및 언로딩 스테이션은 인덱스 테이블의 원주를 따라 배치되어 있다. 인덱스 테이블은 복수의 홀더 (2) 를 가지며, 각각의 홀더는 웨이퍼를 지지한다. 인덱스 테이블이 회전되어 회전운동이 각각의 스테이션에 주어진다. 웨이퍼는 로딩 스테이션으로 반입된다. 이 웨이퍼는 로딩 스테이션에서 1 차 연마스테이션으로 반송되어 1 차 연마스테이션에서 평탄화 처리된다. 이 웨이퍼는 2 차 연마스테이션에서 마무리 처리되어 연마된 웨이퍼로 연마되고 이 연마된 웨이퍼는 언로딩 스테이션에서 연마장치의 외부로 반출된다.

Description

고평탄도로 기판을 연마할 수 있는 자동연마장치
본 발명은 반도체 디바이스 패턴을 갖는 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마하는 자동 화학 기계적 연마장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연마장치는 반도체 디바이스 패턴을 갖는 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마한다. 종래의 연마장치는 연마패드 및 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 홀딩헤드가 장비된 연마테이블을 구비한다. 연마테이블은 회전속력으로 회전한다. 웨이퍼는 웨이퍼 홀딩헤드를 낮춤으로서 일정한 압력으로 연마패드상에 눌려져서 웨이퍼가 연마된다. 연마패드는 미세한 다이아몬드입자를 갖는 연마패드 컨디셔너에 의해 복원(refresh)된다.
한 쌍의 연마테이블이 웨이퍼를 연마에 사용되어 표면의 평탄도 및 조도를 향상시킬 수 있다. 연마테이블 중의 하나는 1 차 연마테이블로 지칭되고, 연마테이블 중의 다른 것은 2 차 연마테이블로 지칭된다. 1 차 연마테이블은 조연마에 사용하기 위한 연마패드로서 가공하지 않은 (경질) 연마포를 갖는다. 2 차 연마테이블은 최종 혹은 마무리 연마에 사용하기 위한 연마패드로서 미세한 (연질) 연마포를 갖는다.
연마테이블의 회전수 및 연마패드의 웨이퍼에 대한 압력을 증가시킴으로서 웨이퍼의 연마속력을 증가시킬 수 있다. 웨이퍼에 대한 압력이 너무 높으면 스크래치 상처가 발생하기 때문에, 연마패드의 웨이퍼에 대한 압력이 고속 회전속력에서 낮아 웨이퍼상에 스크래치 상처가 생기는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
종래의 연마장치는 웨이퍼의 구경과 비교하여 대구경의 연마테이블을 구비한다. 낮은 연마압력의 상태로 대구경 연마테이블을 고속으로 회전시키는 것은 불가능하다. 게다가, 연마패드가 위쪽으로 향해 있기 때문에, 연마패드를 복원할 때 다이아몬드 입자가 연마패드 컨디셔너로부터 연마패드상으로 떨어진다. 다이아몬드 입자가 연마패드 컨디셔너로부터 연마패드상으로 떨어지면, 다이아몬드 입자에 의해 웨이퍼상에 스크래치 상처가 생긴다.
상술된 바와 같이, 1 차 및 2 차 연마테이블이 웨이퍼를 고도로 정밀하게 연마하기 위해 사용된다. 보다 상세하게는, 1 차 및 2 차 연마테이블 양쪽은 웨이퍼를 연마하기 위해 회전한다. 웨이퍼를 1 차 연마테이블상에 누르고 회전시켜 조연마 웨이퍼를 얻는다. 1 차 연마된 웨이퍼를 2 차 연마테이블상에 누르고 회전시켜 마무리 연마한다.
1 차 및 2 차 연마테이블은 웨이퍼의 직경과 비교하여 직경이 상당히 크기 때문에, 이렇게 큰 연마테이블을 사용하면, 공장공간내에서 점유면적을 증가시키게 된다. 이것은 공간 활용 효율이 감소되는 것을 의미한다. 특히, 웨이퍼의 직경이 4-6 인치에서 8-12 인치로 커짐에 따라, 1 차 및 2 차 연마테이블의 직경도 커지는 경향이다.
또한, 1 차 및 2 차 연마테이블 각각의 전체표면에 걸쳐 연마액을 균일하게 도포하기 위해 많은 양의 연마액을 사용할 필요가 있다. 많은 양의 연마액을 사용하면, 런닝 비용이 증가한다. 사용된 연마액을 페기물로서 처리할 때 환경문제를 일으킨다. 게다가, 1 차 연마테이블과 2 차 연마테이블로부터 웨이퍼를 반송할 필요가 있기 때문에, 종래의 연마장치에서는 시간손실이 생긴다.
보다 구체적으로, 웨이퍼는 제 1 척에 달라붙어 연마액과 함께 1 차 연마테이블상에 눌린다. 1 차 연마테이블에서 2 차 연마테이블로 웨이퍼를 이송할 때, 제 1 척에서 웨이퍼를 분리하여 2 차 연마테이블에 연관된 제 2 척에 부착시킬 필요가 있다. 웨이퍼를 제 2 척에 부착하는데 장시간이 걸리면, 웨이퍼상에 잔류하는 연마액이 건조되다. 연마액이 건조되면, 웨이퍼상에 스크래치 자국이 생길 수 있다. 또한, 연마표면이 1 차 및 2 차 연마테이블 각각에 대해 아래쪽으로 향하기 때문에, 웨이퍼의 연마표면을 관찰하기 불가능하다. 그 결과, 연마공정 동안 웨이퍼의 양태를 관찰하기 어렵다.
본 발명은 고평탄도로 웨이퍼를 연마할 수 있는 자동연마장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 자동연마장치는,
(A) 제 1 및 제 2 의 소정의 위치에 제 1 및 제 2 웨이퍼로서 2 이상의 웨이퍼를 지지하며, 소정의 회전축 둘레로 소정의 각도만큼 회전하는 인덱스 테이블로서, 각각의 제 1 및 제 2 웨이퍼 각각이 위쪽으로 향하는 정면을 갖는, 인덱스 테이블;
(B) 인덱스 테이블의 제 1 정지위치에 위치되며, 제 1 및 제 2 웨이퍼 각각을 연마 웨이퍼로 연마하는데 사용하기 위한 영역인 하나 이상의 연마스테이션; 및
(C) 연마 스테이션에서 인덱스 테이블의 위쪽에 위치되며, 연마 스테이션으로 반입된 각각의 제 1 및 제 2 웨이퍼의 정면을 연마하기 위한 연마표면을 갖는 연마헤드를 구비한다.
도 1a 와 1b 는 웨이퍼의 리드배선 구조를 나타내는 도;
도 2 는 종래의 연마장치에서 연마공정의 일례를 도시하는 다이어그램;
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동연마장치의 개략 평면도;
도 4 는 도 3 에 도시된 자동연마장치의 실제적인 형태도;
도 5 는 도 3 에 도시된 인덱스 테이블의 단면도;
도 6 은 도 3 에 도시된 웨이퍼이면 세정부를 도시하는 도;
도 7 은 도 3 에 도시된 척세정부를 도시하는 도;
도 8 은 도 3 에 도시된 1 차 연마스테이션을 도시하는 도;
도 9 는 도 3 에 도시된 연마헤드를 도시하는 도;
도 10 은 도 3 에 도시된 진공척의 구조를 도시하는 도;
도 11 은 연마헤드를 덮는 후드를 도시하는 도;
도 12 는 도 3 에 도시된 웨이퍼표면 세정부를 도시하는 도;
도 13 은 도 3 에 도시된 웨이퍼표면 세정부를 도시하는 도;
도 14 는 실리콘 기판상의 다층 배선 구조를 도시하는 단면도;
도 15 는 콜리메이트 스퍼터링법에 의해 형성된 도전성 접착 필터를 도시하는 단면도;
도 16 은 MOCVD 법에 의해 형성된 구리막을 도시하는 단면도;
도 17 은 1 차 연마공정에서 연마된 구리막을 도시하는 단면도;
도 18 은 2 차 연마공정에서 연마된 구리막을 도시하는 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 인덱스 테이블 S1 : 로딩 스테이션
S2 : 1 차 연마스테이션 S3 : 2 차 연마스테이션
S4 : 언로딩 스테이션 2 : 홀더
3 : 스테핑 모터 4 : 진공척
5 : 모터 6 : 전자 클럿치
7 : 로봇암 8 : 웨이퍼이면 세정수단
9 : 척 세정수단 10 : 웨이퍼 캐리어
11 : 핀 클램프 12 : 브러시 홀더
13 : 행성기어 14 : 중심기어
15 : 회전 샤프트 16 : 척 세정부
17 : 세정액 공급공 18 : 연마헤드
19 : 패드 컨디셔너 20 : 패드 클리닝 수단
도 1a, 1b 및 도 2 를 참조하여, 본 발명의 이해를 위해 먼저 종래의 연마장치를 설명한다. 웨이퍼는 리드배선 패턴구조를 갖는 것으로 가정한다. 도 1a 에서, 실리콘 기판 (50) 상의 평탄화된 표면의 층간절연막에 리드배선홈 (51) 이 형성되어 있다. 금속막 (52) 이 성장하여 리드배선홈 (51) 을 충전하여 리드배선 패턴구조를 형성한다. 도 1b 에서는, 화학적 기계연마법 (CMP method) 에 의해 금속막 (52) 이 선택적으로 제거된다. 그 결과, 리드배선홈 (51) 내에 금속이 선택적으로 삽입된 배선 (53) 이 형성된다. 종래의 연마장치는 CMP 장치로 불린다. 달리 말하자면, 종래의 연마장치는 금속막 (52) 을 배선 (53) 으로 연마한다.
도 2 를 참조하면, CMP 장치는 회전대구경(回轉大口徑) 연마테이블 (62), 회전웨이퍼 지지헤드 (64), 연마패드 컨디셔너 (65) 및 공급부 (66) 를 구비한다. 이 CMP 장치로, 웨이퍼 반송계 (61) 가 반도체 디바이스 패턴을 갖는 반도체 웨이퍼 (W) 를 반입하여 반도체 웨이퍼 (W) 를 연마한다. 웨이퍼 반송계 (61) 는 CMP 장치 밖으로 연마 웨이퍼를 반출한다. 연마테이블 (62) 은 연마테이블 (62) 상에 펼쳐져 있는 연마패드 (63) 를 갖는다. 연마테이블 (62) 은 웨이퍼 (W) 의 직경보다 2 배 이상의 직경을 갖는다. 연마패드 (63) 는 예를 들어, 폴리우레탄 시트로 만들어진다. 웨이퍼 지지헤드 (64) 는 웨이퍼 반송계 (61) 로부터 웨이퍼 (W) 를 수취(受取)하여 연마패드 (63) 상에 이 웨이퍼를 누른다. 연마패드 컨디셔너 (65) 는 연마패드 (63) 를 복원하기 위한 것이다. 보다 상세하게, 연마패드 컨디셔너 (65) 는 회전디스크 (도시되지 않음)를 구비하며, 이 회전디스크상에는 100 내지 500 마이크로미터의 미세한 다이아몬드 입자가 전착(電着; electrolytically deposited)되어 있다. 이 회전디스크에 의해, 연마패드 (63) 의 표면이 복원된다. 공급부 (66) 는 순수(純水)에 실리카입자를 분산시킨 슬러리 (연마액) 를 공급하기 위한 것이다.
CMP 장치에서, 연마패드 (63) 는 도 2 의 위쪽방향으로 향해 있다. 웨이퍼 (W) 의 연마표면은 도 2 의 아래쪽방향으로 향해 있다. 몇 방울의 연마 슬러리가 파이프 (66a) 로부터 연마패드 (63) 상으로 직접 공급된다. 슬러리는 연마패드 (63) 의 상면에 액체막의 상태로 존재한다. 연마패드 컨디셔너 (65) 가 도 2 의 아래쪽방향으로 구동되어 연마패드 (63) 와 접촉되어 연마패드 (63) 를 복원한다. 도 2 에 설명된 CMP 장치는 발명이 속하는 기술분야 에서 설명된 문제점을 갖는다.
도 3 및 도 4 를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동연마장치를 설명한다.
자동연마장치는 인덱스 테이블 (1), 로딩(loading) 스테이션 (S1), 1 차 연마스테이션 (S2), 2 차 연마스테이션 (S3) 및 언로딩(unloading) 스테이션 (S4) 을 구비한다. 로딩 스테이션 (S1), 1 차 연마스테이션 (S2), 2 차 연마스테이션 (S3) 및 언로딩 스테이션 (S4) 은 인덱스 테이블 (1) 의 원주를 따라 배치되어 있다. 인덱스 테이블 (1) 은 중심원을 따라 배치되어 있는 복수의 홀더 (2) 를 갖는다. 각각의 홀더 (2) 는 그 위에 웨이퍼를 지지한다. 스테이션 (S1 내지 S4) 에는 순차적으로 회전급송(回轉給送; rotational feed)이 주어진다. 스테이션 (S1 내지 S4) 는 인덱스 테이블 (1) 의 정지위치에 지정되어 있다. 보다 상세하게는, 연마스테이션들은 그들 각각이 제 1 스톱 스테이션이라 지칭되는 정지위치에 위치된다. 로딩 스테이션은 인덱스 테이블 (1) 의 제 2 정지위치에 위치된다. 언로딩 스테이션은 인덱스 테이블 (1) 의 제 3 정지위치에 위치된다.
로딩 스테이션 (S1) 은 웨이퍼를 인덱스 테이블상으로 반입하는 영역이다. 언로딩 스테이션 (S4) 은 인덱스 테이블 (1) 로부터 연마 웨이퍼를 반출하는 영역이다. 1 차 연마스테이션 (S2) 는 인덱스 테이블 (1) 상으로 반입된 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 영역이다. 2 차 연마스테이션 (S3) 은 평탄화된 웨이퍼에 대한 마무리 처리를 수행하는 영역이다. 격벽(隔壁) (1a) 에 의해, 인덱스 테이블 (1) 의 상면은 90。 의 소정각으로 4 개의 블록으로 분할된다. 홀더 (2) 는 블록에 각각 위치되어 있다.
도 5 를 참조하면, 인덱스 테이블 (1) 이 스테핑 모터 (3) 에 의해 구동되어 90。 의 균일한 각도로 회전하여, 인덱스 테이블 (1) 의 정지위치에 지정되어 있는 스테이션으로 홀더 (2) 를 순차적으로 이송한다. 각각의 홀더 (2) 는 그 위에 웨이퍼를 지지한다. 도시된 예에서, 각각의 홀더는 상면에 위치되어 있는 진공척 (4) 을 갖는다. 진공척 (4) 은 흡착력으로 웨이퍼를 지지한다. 각각의 스테이션 (S1 내지 S4) 는 그것의 관련된 홀더 (2) 를 구동시키는 모터 (5) 를 갖는다. 각각의 홀더 (2) 는 베어링 (1a) 을 통하여 인덱스 테이블 (1) 상에 지지되어 있다. 각각의 홀더 (2) 는 모터 (5) 에 선택적으로 접속되어 있는 전자 클러치(electromagnetic clutch) (6) 를 갖는다. 각각의 홀더 (2) 가 전자 클러치 (6) 에 의해 모터 (5) 에 접속되면, 각각의 홀더 (2) 는 모터 (5) 의 회전속력으로 일방향으로 회전한다.
홀더 (2) 에는 슬리브 (1b) 가 부착되어 있다. 슬리브 (1b) 는 인덱스 테이블 (1) 과 일체를 이룬다. 진공척 (4) 의 배출경로는 홀더 (2) 내에 형성되어 홀더 (2) 의 동부(胴部;drum section)에 환상(環狀)개구를 갖는다. 환상개구는 슬리브 (1b) 에 의해 밀봉되고 슬리브 (1b) 의 포트(port)(1c) 에서 외부배관 (4a) 과 결합한다. 배관 (4a) 은 진공펌프 (도시되지 않음) 와 연통하며 스위치 밸브 (1e) 가 설치되어 있다. 포트 (1c) 는 전자척 (도시되지 않음) 을 갖는다. 전자척 (6) 은 홀더 (2) 가 연마스테이션 (S2) 혹은 (S3) 에 도달할 때 동작한다. 전자척에 의해, 외부배관 (4a) 은 진공척 (4) 과 연통한다. 진공펌프에 의해, 공기가 외부배관 (4a) 을 통하여 진공척 (4) 으로부터 배출된다. 포트 (1c) 는 인덱스 테이블 (1) 의 회전이동시 페쇄된다. 홀더 (2) 측상의 진공척 (4) 의 배출경로는 외부배관 (4a) 으로부터 격리된다. 나중에 설명되는 바와 같이, 스위치 밸브 (1e) 는 세정액 공급배관에 결합되어 있다. 진공척 (4) 이 세정될 때 세정액이 진공척 (4) 에 공급되어 역분사된다.
진공척 (4) 에는 진공척의 외주의 실링 (seal ring) (29) 으로부터 순수가 공급된다. 홀더 (2) 내에는 순수공급경로가 형성되어 있다. 순수는 펌프 (1f) 에 의해 외부배관 (4b) 까지 펌프된다. 이 순수는 외부배관 (4b) 으로부터 슬리브 (1b) 의 포트 (1d) 를 통하여 순수공급경로로 공급된다. 포트 (1d) 는 전자 클러치를 갖는다. 포트 (1d) 의 전자 클러치는 홀더 (2) 가 스테이션 (S2) 혹은 (S3) 에 도달할 때만 동작한다. 포트 (1d) 의 전자 클러치에 의해 외부배관 (4b) 은 홀더 (2) 내의 순수공급경로와 연통한다.
도 3 및 도 4 를 참조하여, 로딩 스테이션 (S1) 에 대해 설명한다. 로딩 스테이션 (S1) 에는 로봇암 (7), 웨이퍼이면(裏面) 세정수단 (8) 및 척 세정수단 (9) 이 장비(裝備)되어 있다. 로봇암 (7) 은 웨이퍼 (W) 를 하나씩 웨이퍼 캐리어 (10) 로부터 꺼내어 핀 클램프 (11) 아래의 위치로 이 웨이퍼 (W) 를 반송한다. 핀 클램프 (11) 는 웨이퍼 이면세정 공정 후 웨이퍼 (W) 를 인덱스 테이블 (1) 상으로 반입하는데 사용한다. 핀 클램프 (11) 는 동일원주를 따라 지정된 선택 위치들에 수축 및 팽창가능하게 배치되어 있는 여러 개의 핀을 갖는다. 웨이퍼 이면 세정수단 (8) 은 핀 클램프 (11) 에 의해 지지된 웨이퍼 (W) 의 이면을 세정하는데 사용한다. 웨이퍼 이면 세정수단 (8) 은 예를 들어, 브러시일 수 있다.
도 6 을 참조하면, 한 쌍의 브러시 (8a 및 8b) 가 브러시 홀더 (12) 의 대향하는 양단에 부착되어 있다. 브러시 (8a 및 8b) 는 위쪽방향을 향하고 있다. 행성기어 (13) 가 각 브러시의 브러시 샤프트에 장착되어 있다. 행성기어 (13) 는 중심기어 (14) 와 맞물려있다. 브러시 홀더 (12) 가 중심기어 (14) 에 의해 회전되어 브러시 (8a 및 8b) 는 자전(自轉)하면서 공전(公轉)된다. 이 브러시 (8a 및 8b) 가 핀 클램프 (11) 상에 지지된 웨이퍼 (W) 의 이면상에 눌린다. 웨이퍼 이면에 세정수를 공급하면서 브러시 (8a 및 8b) 가 회전되어 웨이퍼 이면상의 이물(異物)이 제거된다.
척 세정수단 (9) 는, 흡착력으로 웨이퍼를 지지하는 홀더 (2) 의 진공척 (4)을 세정하는데 사용한다. 웨이퍼 (W) 를 반입하기 전에, 척 세정수단 (9) 를 홀더 (2) 상으로 진출시키고 홀더 (2) 상에서 아래쪽 방향으로 이동시켜 진공척 (4) 의 흡착부를 불식(拂拭)한다.
도 7 을 참조하면, 척 세정수단 (9) 은 회전축 (15) 의 축단(shaft end) 에 배치되어 있는 원반형상 척세정부 (16) 를 갖는다. 척세정부 (16) 는 웹표면(web surface)을 갖는 원형 세라믹링으로, 웹표면에는 세정수 공급공 (17) 이 형성되어 있다. 세정수가 공급공 (17) 을 통해 척 세정부 (16) 에 공급되면서 척세정부 (16) 가 회전된다. 척세정부 (16) 가 진공척 (16) 의 흡착면상에 눌러 붙여져 진공척 (4) 의 흡착면이 세정된다. 이러한 세정공정에 의해, 척 (4) 의 지지면상에 슬러지 (sludge) 가 존재할 때 슬러지가 깨어지고 세정되어 웨이퍼 (W) 에 딤플(dimple) 이 생기는 것을 방지한다.
웨이퍼 (W) 의 이면을 따라 진공척 (4) 의 흡착부를 세정한 후, 핀 클램프 (11) 상에 지지된 웨이퍼 (W) 가 로딩 스테이션 (S1) 의 홀더 (2) 상으로 반송되어, 진공척 (4) 의 흡착면에 흡착된다. 웨이퍼 (W) 의 반입 후, 인덱스 테이블 (1) 가 고정된 회전각 (90 도) 만큼 회전되어 웨이퍼 (W) 가 1 차 연마스테이션 (S2) 으로 반송된다. 로딩 스테이션 (S1) 내부로 이동된 홀더 (2) 는 새로운 웨이퍼의 반송을 위해 대기한다.
도 8 을 참조하면, 1 차 연마스테이션 (S2) 에는 연마헤드 (18), 패드 컨디셔너 (19) 및 패드 클리닝 수단 (20) 이 장비되어 있다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 연마헤드 (18) 는 가압실린더 (21), 베이스 플레이트 (22) 및 연마포 부착판 (23) 의 조립체로 구성되어 있다. 연마헤드 (18) 는 연마면에 경질 연마포 (8a) 를 갖는다. 연마헤드 (18) 는 가압실린더 (21) 를 지탱하는 스핀들 (25) 과 함께 아래쪽 방향으로 매달려 있다. 연마헤드 (18) 가 후퇴 위치로부터 1 차 연마스테이션 (S2) 의 진공척 (4) 으로 진출하여 진공척 (4) 상에 흡착되어 있는 웨이퍼 (W) 상으로 떨어진다. 연마헤드 (18) 는 연마포 (24) 를 웨이퍼 (W) 표면에 눌러 조연마(rough polishing) 에 의해 평탄화한다. 조연마공정 중에, 웨이퍼 (W) 를 지지하는 홀더 (2) 는 고속으로 회전된다. 연마헤드 (18) 는 일방향으로 회전된다. 이 경우, 연마액 (슬러리) 은 회전중심에 놓인 급액공 (liquid-feed hole) (18a) 을 통하여 연마포 (2) 에 공급된다. 연마액은 연마포 (24) 의 외측 주변부를 따라 균일하게 분산된다. 그러므로, 홀더 (2) 를 고속으로 회전시킬 수 있다.
웨이퍼 (W) 는 도 10 에 도시된 바와 같이 진공척 (4) 의 흡착공 (26) 에 클램프 (clamp) 되어 있다. 흡착공 (26) 의 개구영역의 외부 위치에서, 진공척 (4) 은 상면에서 개구되어 있는 환상홈을 닮은 수밀실 (water seal room) (27) 을 갖는다. 수밀실 (27) 은 진공척 (4) 의 측벽에 개구되어 있는 통수홈(water-flow groove) (28) 과 연통한다. 통수홈 (28) 은 차례로 실링 (29) 의 내벽에 개구된 급수공 (30) 에 결합되어 있다. 세정수가 수밀실 (27) 로부터 넘쳐흐르도록 급수공 (30) 에 주입된다. 이렇게 배치함으로서, 연마액이 웨이퍼의 하면으로 흘러 연마중에 웨이퍼 지지면에 고착되는 것을 방지한다. 동시에, 연마액이 흡착공 (26) 내부로 진입하는 것도 방지한다.
도 9 를 참조하면, 베이스 플레이트 (22) 의 돌출 에지 (22a) 가 연마헤드 (18) 에서 가압 실리더 (21) 의 플랜지부 (21a) 에서 지지되어 있다. 연마포 (24) 는 연마포 부착판 (23) 을 통하여 베이스 플레이트 (22) 에 지지되어 있다. 가압실리더 (21) 내의 가압실 (31) 에는 다이어프램 (32) 이 펼쳐져 있다. 고압공기는 스핀들 (25) 을 통하여 가압실 (31) 내부로 도입된다. 이러한 압력에 의해 베이스 플레이트 (22) 가 3 차원 방향으로 요동가능하게 지지되어 하부면의 연마포 (24) 는 웨이퍼 (W) 의 표면에 대해 평행한 자세로 유지된다.
연마헤드는 인덱스 테이블상에 가이드로서 놓인 레일상을 왕복운동한다. 연마헤드가 완전히 강성 재료로 만들어져 있는 경우에, 레일은 웨이퍼 표면에 완전히 평행해야 할 필요가 있다. 이러한 평행성이 깨어지면, 연마헤드의 이송에 따라 연마압력이 변화되어, 웨이퍼 표면상에 연마의 불균일성이 생길 수도 있다. 상술된 실시예에서는, 연마포를 고압공기로 가압함에 의해 연마포 표면을 미동으로 요동시킬 수 있는 특정한 메카니즘에 의해 구조적인 엑스트라 마진 혹은 아이들니스가 제공된다. 회전토크는 가압실리더 (21) 로부터 베이스 플레이트 (22) 로 전달된다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 연마가공 중 연마헤드 (18) 의 둘레는 후드 (33) 에 의해 폐쇄되고, 웨이퍼 연마가공의 완료 후, 세정수 (f) 가 후드 (33) 의 내면을 따라 연속적으로 흐른다. 그 결과, 비산된 연마액의 건조를 방지할 수 있고 연마제내의 고체 재료의 드롭 다운에 의한 웨이퍼 (W) 의 깨어짐을 없앨 수 있다.
도 8 에서, 웨이퍼 (W) 를 연마하는 동안 연마헤드 (18) 의 연마포 (24) 내에 클로그 (clog) 및/또는 섬유상태 비균일성이 생긴다. 이런 클로깅 및/또는 섬유상태 비균일성은 패드 컨디셔너 수단 (19) 에 의해 수정될 수 있다. 패드 컨디셔너 수단 (19) 는 회전가능 패드 컨디셔닝 디스크 (34) 를 갖는다. 섬유 복원(드레스 업)을 수행할 때는, 회전가능 패드 컨디셔닝 디스크 (34) 를 연마헤드 (18) 의 연마포 (24)(도 9 참조) 에 누르고 회전시킨다.
연마포 (24) 의 섬유 복원을 수행할 때, 고압 공기가 도 9 의 압력 실린더 내부로 도입된다. 베이스 플레이트 (22) 의 돌출 에지 (22a) 가 연마압력보다 큰 압력으로 가압실린더 (21) 의 플랜지부 (21a) 에 부착되는 경우, 연마포 (24)를 갖는 베이스 플레이트 (22) 가 가압실리더 (21) 에 고정되어 연마포 (24) 를 안정하게 만든다. 연마포 (24) 의 섬유 복원이 완료된 후, 패드 클리닝 수단 (20) 으로서 기능하는 브러시가 구동되어 회전하면서 전진 후진하여 연마포 (24) 의 표면상에 떨어진 연마입자 및 잔류 연마분을 제거한다. 다음의 웨이퍼의 조연마를 준비한 후, 인덱스 테이블 (1) 을 소정의 각도 (90도) 만큼 회전시킨다. 1 차 (조)연마/평탄화 완료 웨이퍼 (W) 는 2 차 연마스테이션 (S3) 으로 이송된다.
도 3 및 4 를 참조하면, 2 차 연마스테이션 (S3) 에서 2 차 연마공정은 1 차 연마공정에 의해 얻어진 웨이퍼 표면의 조도를 보다 낮출 목적으로 수행된다. 2 차 연마공정에서, 연마액은 1 차 연마공정에서 사용된 연마액과 다르다. 2 차 연마공정에서, 연마액은 마무리 연마에 적합하다. 2 차 연마스테이션 (S3) 은 1 차 연마스테이션 (S2) 에 구조적으로 유사하다. 2 차 연마스테이션 (S3) 은 연마헤드 (35) 에 부가하여 패드 컨디셔너 수단 (36) 및 패드 클리닝 수단 (37) 을 구비한다. 2 차 연마공정의 동작은 2 차 연마스테이션 (S3) 으로 이송된 웨이퍼 (W) 가 연마헤드 (35) 에 의해 표면 마무리 처리된다는 것을 제외하고는 1 차 연마공정의 동작과 유사하다.
2 차 연마스테이션 (S3) 에 부착된 연마헤드 (35) 의 연마포는 1 차 연마스테이션 (S2) 에서 사용된 연마헤드 (18) 의 연마포의 경도와 비교하여 부드럽다. 마무리 연마 스테이션 (S3) 에서, 2 차 연마공정은 1 차 공정보다 긴 시간동안 수행된다. 일단 2 차 연마 공정이 완료되면, 인덱스 테이블 (1) 이 소정의 각도만큼 회전하여 웨이퍼 (W) 는 언로딩 스테이션 (S4) 으로 이송된다.
도 3 및 4 를 다시 참조하면, 언로딩 스테이션 (S4) 에는 웨이퍼표면 세정수단 (38) 및 로봇암 (39) 이 장비되어 있다. 웨이퍼표면 세정수단 (38) 은 예를 들어, 웨이퍼 (W) 의 표면을 세정하는 브러시일 수 있다.
세정하는 동안, 웨이퍼 (W) 를 지지하는 홀더 (2) 가 회전된다. 웨이퍼표면 세정수단 (38) 을 회전하는 웨이퍼 (W) 상에 눌러 웨이퍼 (W) 를 세정한다. 예시된 실시예에서, 웨이퍼표면 세정수단 (38) 은 도 12 에 도시된 바와 같이 회전가능 디스크 형상 브러시일 수 있다. 웨이퍼 (W) 의 세정시, 디스크 형상 브러시는 홀더 (2) 위쪽의 후퇴 혹은 대기 위치로부터 이동된다. 웨이퍼 (W) 를 세정한 후, 역압력에 의해 진공척 (4) 밖으로 물과 공기를 분출시켜 홀더 (2) 로부터 웨이퍼를 탈착(脫着)시킨다. 로봇암 (39) 은 핀 클램프 (40) 에 의해 홀더 (2) 밖으로 취출(取出)된 웨이퍼 (W) 를 컨베이어 (41) 상으로 시프트시킨다. 연마 웨이퍼 (W) 는 컨베이어 (41) 에 의해 다음의 공정단계로 반출된다. 인덱스 테이블 (1) 이 소정의 각도 (90 도) 만큼 회전되어 홀더 (2) 를 로딩 스테이션 (S1) 으로 이송시킨다. 인덱스 테이블 (1) 은 다음의 웨이퍼의 반입을 준비한다.
상술된 실시예에서, 핀 클램프에 의해 지지된 웨이퍼 (W) 는 로딩 스테이션 (S1) 으로 반입된다. 인덱스 테이블은 한 번에 소정의 각도 (90 도) 씩 회전된다. 웨이퍼는 1 차 연마스테이션 (S2) 및 2 차 연마스테이션 (S3) 을 통하여 순차적으로 평탄화 공정 및 마무리 처리된다. 웨이퍼 (W) 가 언로딩 스테이션 (S4) 으로부터 외부로 반출되면서 동시에 인덱스 테이블 (1) 상의 다른 웨이퍼에 대한 평탄화 공정 및 마무리 처리가 수행된다. 상술된 실시예에서, 웨이퍼 (W) 는 인덱스 테이블 (1) 상에 배치된 홀더 (2) 의 진공척 (4) 에 부착된다. 연마헤드는 웨이퍼 (W) 를 누르도록 아래로 내려가 마무리 공정과 병행하여 평탄화 처리를 수행한다. 연마헤드가 웨이퍼의 직경보다 작은 직경을 갖는 경우에는 항상 웨이퍼 (W) 의 연마된 표면을 관측할 수 있다. 웨이퍼 표면의 성상과 연마 웨이퍼의 두께를 계측하면서 홀더 (2) 의 회전속력 및 연마압력을 자유롭게 설정할 수 있다. 그 결과, 최적의 가공조건을 설정하여 웨이퍼 (W) 에 대한 연마가공을 수행할 수 있다.
1 차 연마스테이션 (S2) 에서의 평탄화 처리와 2 차 연마스테이션 (S3) 에서의 마무리 처리간에 시간차가 있을 지라도, 양쪽 연마처리의 연마개시 시점을 이동시켜 공정완료 시점을 서로 동일하게 하여, 연마 완료 후 세정까지의 시간을 단축시킬 수 있다. 더구나, 연마 후 웨이퍼에 연마액이 건조 고화되어 부착되는 것도 방지할 수 있다.
상술된 실시예에서, 웨이퍼의 흡착 지지용 홀더 (2) 의 흡착지지면의 크기는 적어도 웨이퍼의 외경보다 작게 설정되어 있다. 따라서, 로딩 스테이션 (S1) 으로의 웨이퍼 반입 및 언로딩 스테이션 (S4) 으로부터의 웨이퍼 반출은 핀 클램프에 의해 수행된다. 만일 홀더의 흡착지지면이 웨이퍼 외경보다 작으면, 웨이퍼는 홀더의 외부 에지 넘어로 연장된 부분에 의해 지지된다. 웨이퍼가 로딩 스테이션의 홀더로 반입되고 웨이퍼가 언로딩 스테이션의 외부로 반출될 때, 웨이퍼 연장부는 핀 클램프에 의해 지지된다. 그 결과, 웨이퍼를 홀더로 반입하고 웨이퍼를 홀더 밖으로 반출하는 것이 용이하다.
도 13 을 참조하면, 웨이퍼표면 검지수단 (42) 은 웨이퍼표면 평탄화 공정의 마무리 처리의 완료를 검지한다. 웨이퍼표면 검지수단 (44) 은 광원 (43) 과 광도계 (44) 를 구비한다. 소정 광도의 레이저광이 광원 (43) 으로부터 방출된다. 레이저광이 반거울 (45) 로부터 반사되도록 광학적으로 유도되어 연마된 웨이퍼의 표면상에 수직으로 입사된다. 광도계 (44) 는 이 반사광의 강도를 연속적으로 검출하도록 작동할 수 있다. 웨이퍼 (W) 상에 형성된 모든 금속막이 연마에 의해 제거되어 아래막 (실리콘 산화물막) 이 표면에 노출되면, 금속의 반사로부터 아래막의 반사로의 변화가 생긴다. 따라서, 웨이퍼상의 반사율의 그러한 변화에 의한 반사광의 강도를 감지하면 금속막 연마공정의 완료를 검지할 수 있다. 상술된 실시예에서는 레이저광이 웨이퍼상에 수직으로 입사하지만, 임의의 각도로 입사할 수도 있다. 또한, 웨이퍼 표면의 온도 변화를 측정하여 마무리 연마 완료 시점을 알 수도 있다.
비록 상술된 실시예에서는 인덱스 테이블상에서 조연마처리와 마무리 연마처리 양쪽에 대해 설명하였지만, 본 발명의 원리는 서로 독립적인 개별 처리 단계에서 조연마 및 마무리 연마를 수행하는 경우로 배타적으로 한정되지 않는다. 연마처리용으로 3 단계 이상을 스테이션들에 할당하여 2 회 이상의 조연마 또는 2 회 이상의 마무리 연마를 수행할 수도 있다. 본 발명은 적어도 1 회의 조연마처리 또는 마무리 연마처리에만 사용할 수도 있다. 로딩 스테이션과 언로딩 스테이션은 요구되는 양쪽 기능을 제공하는 단일 모듈에 의해 달성될 수도 있다. 스테이션의 분할은 2 이상일 수도 있다. 또한, 인덱스 테이블은 90 도의 균일한 각도로 회전하는 배치로 제한되지 않는다.
도 14 는 그 위에 MOSFET 가 형성되어 있는 실리콘 기판 (101) 상의 다층 배선 구조를 도시하고 있다. 도 14 를 참조하면, 다층 배선 구조물은 MOSFET 를 상층 리드에 접속시키기 위한 텅스텐 콘택트 플러그부 (102), CMOS 회로 블록내에 접속을 제공하기 위한 알루미늄 로컬 배선부 (103) 및 저유전율 유기막내에 구리가 매립되어 있는 구리 글로벌 배선부 (104) 를 구비한다. 인접한 MOSFET 간의 소자들의 분리 또는 격리에는 평탄화된 소자분리 구조가 사용되며, 이 구조는 CMP 공정을 이용하여 실리콘 기판 (101) 에 형성된 홈에 매립된 실리콘 산화물막을 포함한다. 또한, MOSFET 상에는 BPSG 막 (105) 이 성장된다. BPSG 막 (105) 은 또한 CMP 법에 의해 평탄화된다. 평탄화된 BPSG 막 (105) 에는 MOSFET 의 확산막과 게이트 전극까지 연장하는 콘택트홀이 형성되어 있다. 산화제 수용액내에 분산된 실리카 입자를 갖는 슬러리가 W-CMP 법을 사용하여 텅스텐 콘택트 플러그를 형성하는데 사용된다. 제 1 매립 알루미늄 배선이 이러한 텅스텐 콘택트 플러그상에 형성되어 있다.
제 1 매립 알루미늄 배선은 제 1 실리콘 산화물막 (106) 내에 형성된 제 1 배선홈내에 충전된 알루미늄을 갖는다. 또한, 제 1 스로우홀 및 제 2 배선홈내에 매립된 알루미늄으로 만들어진 제 2 매립 알루미늄 배선이 형성되어 있다. 각각의 제 1 스로우홀 및 제 2 배선홈은 상층의 제 2 실리콘 산화물막 (107) 에 형성되어 있다. 이들 매립된 알루미늄 배선의 제조시, 매립된 알루미늄은 고온 스퍼터링법에 의해 배선홈들내에 또는 배선홈과 스로우홈 양쪽에 형성된다. 실리카 입자 및/또는 산화제의 수용액내에 분산된 알루미나 입자들을 갖는 슬러리를 사용하는 Al-CMP 법에 의해 매립된 알루미늄을 평탄화시킨다. 제 3 매립 구리 배선은 제 2 스로우홀 및 제 3 배선홈에 형성되어 있다. 각각의 제 2 스로우홀 및 제 3 배선홈은 제 2 실리콘 산화물막 (107) 상의 저유전율 유기막 (108) 내에 형성되어 있다. 제 4 구리 배선은 제 3 스로우홀 및 제 4 배선홈내에 매립된 구리를 갖는다. 이들 매립된 구리 리드들의 형성시, 매립된 구리는, MOCVD 법에 의해 배선홈들 또는 배선홈과 스로우홈 양쪽에 구리가 매립되어 형성된다. 실리카 입자 및/또는 산화제의 수용액내에 분산된 알루미나 입자들을 갖는 슬러리를 사용하는 Cu-CMP 법에 의해 매립된 구리가 평탄화된다.
상술된 바와 같이, W, Al, Cu, Ti, TiN, WSix, TiSix 등의 금속의 다층 매립 및 평탄화 공정은 금속 CMP 법을 사용하여 하나 이상의 MOSFET 를 갖는 실리콘기판 (101) 에 또는 위쪽에 다층 리드를 형성하는 것이다. 산화물막 CMP 법은 평탄화된 소자분리막을 형성하고 BPSG 막 표면의 표면 평탄화를 수행하는데 사용된다.
저유전율 유기막 (108) 내에 매립된 구리 리드를 형성하는 경우의 자동 연마장치의 동작을 설명한다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 저유전율 유기막 (108) 이, 약 10 내지 30 nm 의 두께를 갖는 TiN 또는 Ti 로 만들어진 도전성 밀착막 (109) 과 병행하여 형성되어 있다. 저유전율 유기막 (108) 은 하지배선(下地配線; undercoat lead)상에 1 마이크로미터의 두께를 갖는 폴리이미드 또는 벤조클로로부텐으로 만들어진다. 도전성 밀착막 (109) 은 콜리메이트 스퍼터링법에 의해 0.5 마이크로미터 깊이의 배선홈과 배선홈의 저부(底部) 로부터 하지배선막에 도달하도록 연장하는 0.5 마이크로미터 깊이의 스로우홀 각각에 형성되어 있다.
도 16 에 도시된 바와 같이, 구리막 (110) 이 170 도 내지 250 도 범위의 성장기판온도에서 0.8 마이크로미터의 두께로 MOCVD 법에 의해 성장된다. 진공결정화 어닐링이 구리막/도전성 접착막/저유전율 유기막간의 밀착성을 향상시키고 또한 구리막의 결정성장을 위해 약 10 분동안 250 도 내지 400 도에서 수행된다. 이러한 진공결정화 어닐링에 의해 구리막 (110) 의 비저항이 2.2cm에서 1.8 내지 1.9cm 까지 낮아진다. 최종 구리막 (110) 은 도 15 에 도시된 바와 같은 하지배선막의 조밀도에 대응하는 표면 구성에 속해야 한다. 보다 상세하게는, 성장된 구리막 두께의 절반 이하의 배선홈 폭 (여기서는, 0.4 ㎛) 을 갖는 좁은 배선홈 (H1) 에서, 대향하는 배선홈의 측벽으로부터의 구리막의 성장과의 조합에 의해 배선홈이 완전히 매립된다. 넓은 배선홈 (H2) 의 경우에는, 대향하는 배선홈의 측벽으로부터의 구리막의 성장과의 조합이 없기 때문에, 구리막 표면은 오목하게 들어간다. 이와 같은 표면단차가 하지배선홈 폭에 의존하여 구리막 표면에 존재할 수 있다.
최종 구리막이 본 발명에 따른 자동연마장치에 의해 연마된다. 로딩 스테이션 (S1) 에서, 웨이퍼들은 웨이퍼 캐리어로부터 하나씩 취출되는데, 웨이퍼 캐리어내에는 약 24 장의 8 인치 실리콘 웨이퍼들이 각각의 구리막의 성장표면을 위로 향한 채로 수납되어 있다. 취출된 웨이퍼는 핀 클램프 아래의 위치로 반송된다. 핀 클램프에 의해 취출된 웨이퍼의 주변부가 지지된다. 웨이퍼이면 세정브러시에 의해 취출된 웨이퍼의 이면이 세정된다. 웨이퍼이면 세정 동안, 척 세정수단은 다공질 알루미나로 이루어진 진공척의 흡착표면을 세정한다. 척 세정수단에서, 흡착표면상의 슬러지가 제거되어 흡착표면의 평탄성을 제공한다. 진공척 세정공정시 세정액이 척 세정수단으로부터 공급되면서, 진공척으로부터 흡착표면으로의 역세정(counter washing) 도 행해진다. 그 결과, 다공질 알루미나의 미세한 구멍벽상에 분리되고 부착된 연마제 등의 고체입자 (슬러지) 를 제거할 수 있다.
웨이퍼 이면세정과 진공척 표면세정을 실행하여 그러한 고체미립자를 완전히 제거하는 것은 매우 중요하다. 보다 구체적으로는, 웨이퍼와 진공척 사이에 고체 이물이 존재하면 흡착된 웨이퍼의 표면이 국부적으로 변형되어 볼록한 형상으로 된다. 이런 변형된 웨이퍼가 평탄화를 위해 연마되면, 국소적인 볼록면도 평탄화되어 진공척에서 웨이퍼를 꺼내면 오목하게 된다(국소 함몰). 이것이 미립자를 완전히 제거해야 하는 이유이다. 예시된 실시에에서, 진공척의 흡착표면과 웨이퍼의 이면을 세정하는데 걸린 시간은 30 내지 60 초의 범위이지만, 세정시간에 대한 특정한 제한은 없다. 세정액으로는. 순수 또는 순수를 전기분해한 전해 이온수 어느 것도 사용할 수 있으며, 세정액 종류의 실제적인 선택에는 어떤 제한도 없다. 예를 들어, 셀룰로오스 등의 수용성 유기고분자 분산수용액을 순수와 함께 사용하여 유기고분자막을 웨이퍼 이면에 흡착시켜 친수성 처리해도 좋다. 이러한 기판이면의 친수성 처리에 의해 슬러지의 건조고착을 억제할 수 있다. 또한 대안으로, 알코홀, 메틸에틸케톤 또는 유기아민을 사용할 수도 있다.
웨이퍼 이면세정 및 진공척의 흡착표면세정의 완료 후, 핀 클램프상의 웨이퍼는 로딩 스테이션 (S1) 의 홀더상으로 반입된다. 웨이퍼는 구리막 형성표면을 위쪽으로 향한 상태로 진공척의 흡착표면에 흡착된다. 웨이퍼 반입 후, 인덱스 테이블이 일 각도(90 도) 만큼 회전되어 반입된 웨이퍼를 1 차 연마스테이션 (S2) 으로 이동시킨다. 연마헤드가 약 0.01 내지 0.4 kg/cm2 의 압력으로 연마포를 웨이퍼의 구리막 형성표면상에 눌러 평탄화 처리를 수행한다.
1 차 연마단계에서의 조연마시, 웨이퍼를 지지하는 홀더는 약 50 내지 300 rpm 의 속력으로 회전한다. 50 내지 1000 rpm 으로 회전하는 연마헤드는 0.1 내지 5 cm/초의 속력으로 웨이퍼상에서 왕복된다. 상술된 동작은 연마액 (슬러리)을 연마포의 중심에서 웨이퍼의 상면으로 공급하면서 행해진다. 이 때, 왕복속력이 항상 일정하게 유지되어야 하는 것은 아니다. 왕복속력을 변화시켜 연마포가 웨이퍼의 중심부에 오래 머물게 할 수도 있다. 연마포의 직경은 웨이퍼 직경과 동일하거나 작다. 만일 연마포의 직경이 매우 작으면, 연마포와 웨이퍼 사이의 접촉면적이 작아진다. 그 결과, 연마포의 원주 속력도 줄어든다. 이것이 구리막 연마속도를 현저하게 감소시키므로, 실용적이지 못하다. 이러한 이유 때문에, 연마포의 직경은 적어도 웨이퍼의 반경 이상인 것이 바람직하다. 연마포로는 발포 우레탄 또는 폴리프로필렌 등으로 만들어진 폴리머 시트에 하나 이상의 홈을 형성시킨 것을 사용한다. 연마포에 형성된 홈 또는 홈들은 연마액의 급액공 (18a) 이 존재하는 중심으로부터 나선상 또는 방사상으로 형성될 수도 있다. 그러므로, 연마포의 중심으로부터 연마포의 외부 주변부로 연마액을 효율적으로 공급할 수 있다. 이런 홈의 단면형상에는 어떤 제한도 없지만, V 자 형상이 바람직하다. 홈 에지는 둥근 것이 보다 바람직하다.
구리막용 연마액으로는 실리카 입자를 10 내지 20 wt% 정도 산화제 수용액에 분산시킨 것을 사용한다. 연마액은 미량의 암모니아의 첨가 때문에 약알칼리성을 나타낸다. 선택적으로는, HNO3, 인산, 구연산, 아세트산 또는 옥살산을 포함하며, 그 내부에 혼합된 몇 방울의 도펀틀르 갖는 산성 연마액도 사용될 수 있다. 산화제로는 특별한 제한은 없지만 과산화수소수 또는 요오드화 칼륨 수용액이 있다. 또한, 연마제로서는, 알루미나 입자 또는 과산화 망간 입자 또는 산화세륨 입자들이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동연마장치에서는, 연마액 공급관 내벽과 연마액 폐액관 내벽에는 테프론 코팅과 같은 산성/알칼리 내성처리가 미리 실시된다.
또한, 각각의 스테이션 (S1-S4) 은 아크릴 장벽 등에 의해 분할된다. 적어도 스테이션 (S2 와 S3) 에서는, 국소적인 배기가 행해진다. 스테이션 (S2 와 S3) 각각은 산성 또는 알칼리성 연마액의 잔유 증기가 발생하지 않는 구조를 갖는다. 연마헤드는 연마시에 후드에 의해 덮힌다. 웨이퍼 연마처리시와 연마처리의 완료 후, 세정액이 연속적으로 후드의 내벽으로 흘러들어가 연마액의 액체성분의 증발 및 비산된 연마액의 경화를 방지한다. 세정액는 통상적으로 순수일 수 있다. 선택적으로, 연마액은 후드 내벽으로 흘러들어갈 수도 있다. 수밀실로부터 공급된 세정액이 진공척의 외부로부터 공급되면, 연마중에 웨이퍼이면으로 연마액이 침입하는 것을 방지한다.
1 차 연마스테이션에서 상술된 연마처리를 수행한 후, 구리막 (110) 의 표면 단차는 도 17 에 도시된 바와 같이 사라진다. 예로서, 0.8 ㎛ 의 두께에서 0.2 ㎛ 의 두께로 저유전율 유기막상에 성장된 구리막을 연마함으로서 표면 평탄화가 수행된다. 소정의 시간동안 1 차 연마스테이션에서 연마가 완료된 후, 연마헤드의 압력은 먼저 부하 적용이 없는 상태로 설정된다. 연마포의 중심부로부터 공급되고 있는 연마액을 순수로 대체하여 구리막의 상면으로부터 연마액을 빠르게 제거한다. 이러한 순수 공급처리는 매우 중요한데, 그 이유는 연마액에 구리를 에칭할 수 있는 화학적인 작용이 있기 때문이다. 이러한 처리 동안 세정액으로서 사용되는 순수가 연마포 중심부로부터도 공급된다는 사실의 견지에서, 상술된 공정은 웨이퍼상의 구리막으로부터 연마액을 효율적으로 제거할 수 있다. 이러한 순수 세정공정은 약 10 내지 30 초동안 행해질 수 있다.
그 후, 연마헤드가 웨이퍼로부터 끌어당겨져 분리된다. 연마헤드는 패드 컨디셔너 수단에 의해 섬유 복원 처리된다. 패드 컨디셔너는 하나 이상의 회전가능 패드 컨디셔닝 디스크를 가지며, 이 디스크가 구동되어 회전하며 연마포상으로 눌린다. 패드 컨디셔닝 디스크는 50 내지 500 ㎛ 의 직경을 갖는 미세한 다이아몬드 입자가 전착되어 있는 또는 글래스중에 매립되어 있는 표면을 갖는다. 이러한 다이아모드 파일 (file) 은 연마포의 섬유 복원에 사용된다. 연마액 또는 순수 중의 어느 하나가 연마포의 중심부로부터 공급된다. 이 디스크는 미세한 다이아몬드 입자가 패드 컨디셔닝 디스크의 외측 주변부를 따라 형성되어 1 cm 폭의 밴드 형상을 정의한다. 연마포는 아래쪽으로 향하고 반면에 다이아몬드 전착된 표면은 위쪽으로 향함으로서, 디스크로부터 다이아몬드 입자가 떨어져도 연마포상에 거의 남지않는 특징이 있다.
다른 특징은, 패드 컨디셔닝 처리의 완료 후, 패드 세정수단이 자동적으로 연마포 표면을 세정하여 연마포 표면을 깨끗하게 유지한다는 것이다.
패드 컨디셔닝 처리를 행하는 동안, 인덱스 테이블은 90 도 회전된다. 그 결과, 웨이퍼 (W) 가 2 차 연마스테이션 (S3) 으로 이동된다. 이러한 회전에 의해 새로운 웨이퍼가 1 차 연마스테이션 (S2) 으로 공급된다.
2 차 연마스테이션 (S3) 에서, 연마헤드는 연마시 후드에 의해 덮힌다. 웨이퍼의 연마처리 동안 세정액이 연속적으로 후드의 내벽으로 공급되어, 1 차 연마스테이션에서와 유사한 방법으로 비산된 연마액의 경화와 연마액의 액체성분의 증발을 방지한다. 수밀실로부터 공급되는 세정액이 진공척의 외부로부터 공급되면, 연마시 연마액이 웨이퍼 이면으로 침입하는 것을 방지할 수 있다.
2 차 연마스테이션 (S3) 의 연마헤드에는 연질의 연마포가 펼쳐져 있다. 예를 들어, 고팽창율을 갖는 발포 우레탄 시트 또는 폴리에스터와 같은 화학섬유형으로 만들어진 연마포가 사용될 수 있다. 2 차 연마처리 단계에서, 웨이퍼를 지지하는 홀더는 50 내지 300 rpm 의 속력으로 회전된다. 50 내지 1000 rpm 으로 회전하는 연마헤드가 0.1 내지 5 cm/초의 속력으로 웨이퍼상에서 왕복한다. 연마에 의해 구리막 (110) 의 두께가 점차적으로 줄어든다. 연마헤드의 중심부로부터 공급되는 연마액으로서, 0. 1 내지 1 wt% 의 셀룰로오스와 같은 수용성 유기고분자 및 5 내지 10 wt% 의 실리카 입자를 용해시킨 산화제의 수용액이 사용된다. 수용성 유기고분자는 연마 후 구리막의 표면에 흡착되는 경향이 있다. 구리표면이 친수성을 나타내어 연마제 입자의 건조/고화를 억제하는 효과를 제공한다. 여기에서는, 2 차 연마스테이션에서 연마포와 연마액 종류를 1 차 연마스테이션에서 사용된 것과 다른 것으로 바꾸는 특별한 경우를 나타내었지만, 연마부재를 바꾸지 않고도 연마헤드 회전속도가 증가함에 따라 연마압력이 감소되도록 연마조건을 변경할 수 있다.
2 차 연마스테이션 (S3) 에는 웨이퍼 표면상에서 레이저광의 반사율의 변화를 검출하는 광도계가 구비되어 있다. 웨이퍼상의 레이저광 입사위치에는 고압질소기체, 고압공기 또는 순수가 분출되어 웨이퍼상에 남아있는 연마액을 제거해 버린다. 배선홈 영역 이외의 저유전율 유기막상의 구리막이 완전히 연마되어 반사율이 낮아지는 시점을 연마종료점으로 설정한다. 본 발명의 자동연마장치에서, 연마헤드는 웨이퍼보다 작은 직경을 갖고 웨이퍼상에서 요동운동할 수 있도록 설계되어 있다. 그러므로, 웨이퍼의 표면상태를 끊임없이 모니터링함으로서 연마 종료점을 검출할 수 있다. 1 차 연마스테이션에서와 유사한 처리에서, 패드 컨디셔너 수단 및 패드 클리닝 수단이 동작하여 2 차 연마스테이션에서 연마헤드의 연마포의 컨디셔닝과 클리닝을 각각 수행한다.
2 차 연마스테이션에서 연마처리에 의해, 도 18 에 도시된 바와 같은 유기막 (108) 의 배선홈내에 매립된 구리를 갖는 구리배선 (111) 이 형성된다.
언로딩 스테이션 (S4) 에서, 홀더는 웨이퍼를 지지하기 위한 진공척으로 이루어져 있다. 이 홀더는 약 50 rpm 의 속력으로 회전된다. 웨이퍼표면 세정수단의 브러시를 웨이퍼상에 눌러 웨이퍼를 세정한다. 브러시는 약 50 rpm 의 동일한 속력으로 회전한다. 세정액은 순수 또는 그것을 전기분해한 전해 이온수일 수도 있다. 세정 후, 진공척의 흡착면에 공기와 순수의 역압력을 가하여 웨이퍼를 해방한다. 로봇암이 웨이퍼를 컨베이어상으로 이동시킨다. 컨베이어는 다음 공정을 수행하는 스크럽 세정장치(scrub-cleaner device)로 웨이퍼를 빠르게 이송한다.
위의 실시예에서 설명된 자동연마장치에 있어서는, 웨이퍼의 로딩 스테이션 (S1) 에서의 웨이퍼 반입처리, 1 차 연마스테이션 (S2) 에서의 구리막의 표면 평탄화 연마처리, 2 차 연마스테이션 (S3) 에서의 구리막의 제거/마무리 처리 및 언로딩 스테이션 (S4) 에서의 웨이퍼 반출처리를 동시에 병행할 수 있고, 소정의 방향으로 인덱스 테이블의 회전에 기초하여 다음의 처리단계로 복수의 웨이퍼를 동시에 신속하게 보낼 수 있다. 본 발명의 자동연마장치를 최대한 효율적으로 동작시키기 위하여, 각각의 연마조건을 적절하게 설정하여 1 차 연마스테이션의 연마시간이 2 차 연마스테이션의 연마시간과 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다.
적어도, 1 차 연마처리의 종료시간과 2 차 연마처리의 종료시간이 일치하도록 각각의 연마처리 개시시점을 조정하는 것이 요구된다.
상술된 실시예는 저유전율 유기막상의 구리막을 연마하는 경우를 설명하였지만, 본 발명의 원리는 실리콘 산화물막상의 알루미늄막 또는 텅스텐막을 연마하는데 적용할 수 있다는 것은 자명하다. 또한, BPSG 막 또는 실리콘 산화물막의 표면 평탄화에도 적용할 수 있다. 이 경우, 1 차 연마스테이션과 2 차 연마스테이션에 경질 연마포와 실리카입자 분산연마액을 사용할 수 있고, 따라서 양쪽 스테이션에서 동시 병행으로 평탄화 연마를 수행할 수 있다.
이상의 설명에서 알 수 있듯이, 인덱스 테이블에 할당된 각각의 스테이션으로 동시 병행으로 웨이퍼의 연마, 인덱스 테이블상으로 웨이퍼의 반입 뿐만 아니라 인덱스 테이블로부터의 웨이퍼의 반출을 수행함으로서, 웨이퍼의 연마작업의 능률을 향상시킬 수 있다. 또한, 웨이퍼의 연마에 의한 성상변화를 끊임없이 모니터하면서 연마처리를 연속적으로 수행할 수 있다.
동일한 인덱스 테이블상에서 순차적으로 조연마와 마무리 연마가 행해지는 경우에, 조연마 종료시간을 마무리 연마의 종료시간과 일치시킬 수 있다. 그 결과, 연마처리 후, 웨이퍼를 대기 모드에 놓는 것을 방지할 수 있고, 이것은 차례로 연마액의 건조고화에 의해 발생하는 웨이퍼 품질의 저하를 방지할 수 있다. 본 발명에 따르면, 사용되는 연마장치의 설치를 위해 잉여의 넓은 공간을 필요로 하지 않고 각각의 웨이퍼에 대해 정확히 동일한 조건으로 연마처리를 행할 수 있으므로, 고품질의 균일한 제품으로 마무리할 수 있다.
본 발명의 원리는 다양한 종류의 글래스 재료, Si, SiO2, 다양한 세라믹, 갈륨비소, 인듐인, 사파이어 및 이의 동등물의 다양한 종류의 연마처리에 광범위하게 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 웨이퍼를 연마 웨이퍼로 연마하는 자동연마장치로서,
    제 1 및 제 2 의 소정의 위치에 각각 제 1 및 제 2 웨이퍼로서 2 이상의 웨이퍼를 지지하며, 소정의 회전축 둘레로 소정의 각도만큼 회전하는 인덱스 테이블로서, 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각은 위쪽으로 향하는 정면을 갖는, 상기 인덱스 테이블;
    상기 인덱스 테이블의 제 1 정지위치에 위치되며, 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각을 상기 연마 웨이퍼로 연마하는데 사용하기 위한 영역인 하나 이상의 연마스테이션; 및
    상기 연마 스테이션에서 상기 인덱스 테이블의 위쪽에 위치되며, 상기 연마 스테이션으로 반입된 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각의 상기 정면을 연마하기 위한 연마표면을 갖는 연마헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼를 상기 제 1 및 상기 제 2 의 소정의 위치로 각각 반송하기 위한 상기 인덱스 테이블의 제 2 정지위치에 위치된 로딩 스테이션; 및
    상기 연마 웨이퍼를 상기 인덱스 테이블로부터 취출하기 위한 제 3 정지위치에 위치된 언로딩 스테이션을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각의 이면을 세정하기 위한 웨이퍼이면 세정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 인덱스 테이블이 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼를 각각 지지하기 위한 복수의 홀더를 구비하여 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼의 연마시에 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼를 각각 상기 연마스테이션에서 회전시키는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 각각의 상기 홀더는 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 중의 어느 하나를 지지하기 위한 진공척이며;
    상기 자동연마장치는 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각을 상기 인덱스 테이블로 이송하기 전에 상기 진공척의 흡착면을 세정하기 위한 척세정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 인덱스 테이블이 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼를 각각 지지하기 위한 복수의 홀더를 구비하여 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼의 연마시 상기 연마스테이션에서 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼를 각각 회전시키는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각의 이면을 세정하기 위한 웨이퍼이면 세정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마헤드의 연마표면을 복원하기 위한 패드 컨디셔너 수단; 및
    상기 연마헤드를 복원한 후 상기 연마헤드상에 남아있는 연마분과 연마입자를 제거하여 상기 연마헤드를 청결하게 하는 패드 클리닝 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각을 연마한 후 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각의 정면을 세정하기 위한 웨이퍼표면 세정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 연마스테이션은,
    상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각을 조연마하도록 평탄화 처리를 수행하는데 사용하기 위한 1 차 연마스테이션; 및
    상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각을 마무리 연마하도록 마무리 연마처리를 수행하기 위한 2 차 연마스테이션을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 연마헤드가 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각의 직경보다 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 연마헤드는 3 차원 방향으로 요동하며, 상기 연마표면은 연마시 상기 제 1 및 상기 제 2 웨이퍼 각각에 대해 평행한 자세를 유지하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 연마헤드는 연마액을 상기 연마표면에 공급하기 위한 급액수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 급액공급장치는 상기 연마헤드에 형성된 구멍인 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 웨이퍼 표면성상의 변화에 따라 웨이퍼표면 연마처리의 종료시간을 검지하기 위한 웨이퍼표면 검지수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동연마장치.
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