KR19990044935A - 화학 기계식 폴리싱시스템과 폴리싱방법 - Google Patents

화학 기계식 폴리싱시스템과 폴리싱방법 Download PDF

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제임스 에프. 배넬
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비센트 비.인그라시아
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Abstract

본 발명은 화학 기계식 평탄화공구(21)에 관한 것으로서, 이 화학 기계식 평탄화공구는 평판(22)과, 웨이퍼 이송아암(31)과, 이송 어셈블리(37)와, 조절용 아암(28)과, 단부작동체(33)를 포함한다. 슬러리 전달시스템(51)은 고른 웨이퍼 평탄화를 보장하는 최소 소요 전달율로 폴리싱 화학물을 제공하므로써 부스러기를 감소시킨다. 이 슬러리 전달시스템은 체크밸브(52)와, 다이어프램 펌프(53)와, 체크밸브(54)와, 배압밸브(55)와, 분배막대(58)를 포함한다. 다이어프램 펌프(53)는 흡입압력에 관계없이 각 펌프 사이클로써 폴리싱 화학물의 정확한 용량을 제공한다. 체크밸브(52, 54)들은 다이어프램 펌프(53)를 통과하는 폴리싱 화학물의 역류를 방지한다. 배압밸브(55)는 다이어프램 펌프(53)의 하강행정 동안 폴리싱 화학물의 유동을 방지하기 위하여 체크밸브(54)를 가로지르는 압력차이를 발생시킨다. 폴리싱 화학물은 분배막대(58)로부터 폴리싱 매질 상으로 분배된다.

Description

화학 기계식 폴리싱시스템과 폴리싱방법
본 발명은 화학 기계식 평탄화(chemical mechanical planarization;CMP)시스템, 더 구체적으로는 CMP장치에 사용되는 펌프에 관한 것이다.
화학 기계식 평탄화(또한 화학 기계식 폴리싱(polishing)이라고도 함)는 진보된 집적회로의 제조시에 사용되는 정규 공정이다. 이러한 CMP는 반도체 소자의 제조를 위한 거의 모든 단계에서 사용된다. 화학 기계식 평탄화에 있어서, 국부적인 평탄화로는 미세구조물을 제작할 수 있으며, 전체적인 웨이퍼 평탄화로는 고밀도 바이어(via)들을 형성하고 층들을 상호배선시킬 수 있게 한다. IC제조 공정에서 CMP가 가해진 재료로는 단결정 및 다결정 실리콘, 산화물, 질화물, 폴리마이드, 알루미늄, 텅스텐, 구리를 포함한다.
이때, 화학 기계식 평탄화의 비용은 마이크로프로세서와, ASIC(응용 주문형 집적회로)과, 높은 수준의 판매가를 갖는 다른 세미-커스텀(semi-custom)형 집적회로와 같은 부품들에 있어서는 적당하다. 사용상의 주요 분야는 상기 형태의 IC에 필요한 고밀도 다중층 상호배선을 형성할 때이다. 비용 때문에 메모리와 같은 기본소자는 거의 또는 전혀 CMP를 사용하지 않는다.
고용량 IC회로를 설계하기 위한 화학 기계식 평탄화공정을 성공적으로 완성하여, 대다수의 반도체 제조업자들은 이 기술을 채택하고 있다. 반도체 제조업자들은 몇 가지 분야에서 CMP의 발전을 추구하고 있다. 상술한 바와 같이 첫 번째 분야는 비용에 관한 것으로서, IC 기본소자의 제조에는 CMP공정이 사용되지 않으며 여기서 제조비용의 증가는 수익성과 직접 관련된다. CMP공정의 웨이퍼당 비용을 절감시키기 위한 많은 CMP 연구가 진행되어 왔다. CMP의 비용감소의 상당한 발전은 낮은 이윤폭을 갖는 IC의 제조를 증가시킬 것이다. 두 번째 분야는 CMP 장비의 크기나 흔적(footprint)을 감소시키는 것에 관한 것이다. 흔적이 작을수록 소유자는 비용을 감소시킬 수 있다. 화학 기계식 평탄화공구에 대한 현재의 설계방식으로서는 반도체 공정장치에서 상당한 크기의 바닥 공간(floor space)을 차지한다.
강조되고 있는 세 번째 분야는 제조능력과 신뢰도에 관한 것이다. CMP공구 제조업자들은 더 짧은 시간 내에 더 많은 웨이퍼들을 평탄화시킬 수 있는 향상된 기계장치에 집중하고 있다. CMP공구의 신뢰도의 증가가 이루어질 때에만 제조능력의 향상이 중요하다. 연구의 네 번째 분야는 반도체 재료의 이송장치에 관한 것이다. 반도체 회사들은 상이한 이송공정에 사용되는 슬러리들이나 폴리싱 화학물들을 위한 제한된 수량의 화학 공급기(chemical supplier)들에 대체로 의지한다. 일부 슬러리들은 반도체 산업에서 개발된 것이 아니라 유리 폴리싱 산업과 같은 타분야에서 발달하였다. 불가피하게 이 산업에서는 특정 반도체 웨이퍼공정에 맞추어진 고성능의 슬러리들에 관한 연구가 진행되었다. 슬러리 혼합물의 진보는 제거율과, 입자 개수와, 선택적으로 입자 집합체의 크기와 직접 관련된다. 연구의 마지막 분야로서는 후처리 CMP공정에 관한 것이다. 예를 들어 후처리 CMP 세정(cleaning)과, 집적(integration)과, 계측학(metrology)들은 공구 제조업자들이 CMP공정에 특정 공구들을 제공하기 시작한 분야들이다.
따라서 제조환경에서 신뢰성이 향상된 화학 기계식 평탄화 공구를 갖는 것이 유리하다. 또한 화학 기계식 평탄화 공구를 사용하여 각 웨이퍼의 폴리싱 비용을 감소시키는 것이 유리하다.
도 1은 화학 기계식 평탄화공구 내에 슬러리를 전달하기 위해 사용된 연동식 펌프를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 화학 기계식 평탄화(CMP)공구를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 도 2의 화학 기계식 평탄화(CMP)공구를 도시한 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 화학 기계식 평탄화공구에서 사용하는 다이아프램펌프를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 화학 기계식 평탄화공구용 슬러리 전달시스템을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21: 평탄화공구 22: 평판
28: 조절용 아암 31: 웨이퍼 이송아암
33: 단부작동체 37: 이송 어셈블리
51: 슬러리 전달시스템 52, 54: 체크밸브
53: 다이어프램 펌프 55: 배압밸브
58: 분배막대
화학 기계식 평탄화(CMP)공정에 사용된 주요 성분은 폴리싱 슬러리이다. 이 슬러리는 연마재와 화학물의 혼합물이며, 반도체 웨이퍼로부터 기계적 화학적으로 물질을 제거한다. 슬러리에 사용된 화학물들은 제거하고자 하는 물질의 형태에 따른다. 보통, 화학물들은 산성이나 염기성 중 어느 한 가지이며, 이들을 강하게 부식시킨다. 슬러리는 소비재이므로 웨이퍼들이 폴리싱되는 공정 동안 계속해서 보충된다. 이것은 CMP공정에서 소비비의 주요 인자이다.
CMP공정에서 소비재의 다른 실시예로써는 탈이온수(deionized water)와 폴리싱 패드(polishing pad)들이 있다. 보통 폴리우레탄이나 임의의 다른 폴리싱 매질을 포함하는 폴리싱 패드들은 CMP공정에서 아마도 두 번째로 높은 비용의 소비재이다. 보통, 웨이퍼당 패드의 비용은 폴리싱 화학물의 웨이퍼당 비용의 25% 정도이다. 다른 소비재의 비용은 웨이퍼당 폴리싱 슬러리의 비용의 5% 이하이다. 명백히, 웨이퍼당 화학 기계식 평탄화의 비용을 감소시키므로써 폴리싱 슬러리의 비용에서 가장 큰 이득을 얻을 수 있다.
슬러리 전달시스템(slurry delivery system)은 화학 기계식 평탄화 공구의 주요 부품이다. 슬러리 전달시스템은 폴리싱용 반도체 웨이퍼에 폴리싱 화학물을 공급한다. 현재의 CMP공구들은 반도체 웨이퍼에 폴리싱 화학물을 전달하기 위해 연동식 펌프(peristaltic pump)들을 사용한다. CMP 공구 제조업자들은, 임의의 연동식 펌프 부품들과 전달하고자 하는 매질이 분리되기 때문에 이 연동식 펌프를 사용한다. 이것은 중요한 펌프 부품들을 연마재와 부식성의 폴리싱 화학물로부터 보호한다.
도 1은 화학 기계식 평탄화 공구 내에서 슬러리를 전달하기 위해 사용된 연동식 펌프(12)를 도시한 단면도이다. 이 연동식 펌프에서 분리장치는 가요성 튜브(13)이다. 이상적으로는, 가요성 튜브는 슬러리 내에서 화학물들에 대해 불침투성이다. 예를 들어, 이 가요성 튜브(13)는 보통 실리콘이나 노프렌형(norprene -type) 화합물로 제작된다. 폴리싱 화학물은 가요성 튜브(13)를 통하여 전달된다. 가요성 튜브(13) 내에 슬러리를 한정하므로써 슬러리는 결코 연동식 펌프(12)의 어떠한 부품과도 접촉하지 않는다. 가요성 튜브(13)의 한쪽 단부가 슬러리를 수용하는 입구(IN)와 연결되어 있으며, 이때 가요성 튜브(13)의 다른쪽 단부는 연동식 펌프(12)의 출구(OUT)와 연결되어 있다.
연동식 펌프(12)의 하우징(16) 내에서는 로터(14)가 회전한다. 이 로터(14)는 모터(도시 안함)에 연결된다. 또한 이 로터(14)에는 점진적으로 가요성 튜브(13)를 압착하는 롤러(15)들이 부착되어 있다. 연동식 펌프에서는 최소한 두 개의 롤러가 사용되지만 다른 펌프 설계에서는 더 많은 롤러들이 사용된다. 슬러리는 롤러들이 하우징(16) 내에서 회전할 때 가요성 튜브(13)를 통하여 밀쳐지거나 압착된다. 연동식 펌프의 장점은 내부 누설이 없다는 것이다. 누설은 튜브가 파손될 때만 발생한다. 연동식 펌프(12)에 의하여 전달된 물질의 양은 튜브 내경과, 듀로미터(durometer)와, 벽두께와, 전달압력에 의해서 결정된다는 것이다. 배출 전달율은 펌프속도를 변경하므로써 변화한다.
일반적으로, 연동식 펌프(12)는 단순, 저렴, 용이하게 관리할 수 있다. 그러나, 연동식 펌프(12)는 슬러리를 전달하기 위해 화학 기계식 평탄화공구 내에 배치될 때 문제점을 갖는다. 보통, 반도체 웨이퍼로부터 물질을 제거하기 위해 사용된 슬러리는 경화(hardening)와, 응집(agglomeration)과, 침전(settling)과 같은 좋지 못한 결과로 인하여 전달시스템 내에서 시트(sit)되거나 드라이(dry)되지 못한다. 만약에 시트되거나 드라이된다면, 슬러리는 후에 전달시스템을 막아버리게 되어 정확하게 작동하지 못하거나 웨이퍼를 손상시킨다.
상술한 바와 같은 문제점들을 피하기 위해, 대부분의 슬러리 전달시스템은 가능한 곳에서 슬러리를 재순환시킨다. 또한 이 시스템은 폴리싱 화학물의 재순환이 불가능한 곳에서는 물로 채워진다. 물을 채울 때, 높은 전달수압으로 인하여 가요성 튜브(13)가 파손되기도 한다. 롤러(15)들이 물의 유동을 방해하는 하우징(16)에 대항하여 가요성 튜브(13)를 쥐어짜기 때문에 문제가 발생한다. 연동식 펌프(12)의 입구에서의 수압으로 인하여 물이 가요성 튜브(13)를 팽창시켜 가요성 튜브(13)를 파손시킨다.
상술한 바와 같이, 화학 기계식 평탄화공정에서 가장 높은 비용의 소비재는 폴리싱 화학물이다. 이론적으로는, 화학 기계식 평탄화공구에 의해 최소한의 슬러리량이 전달되어 반도체 웨이퍼 표면으로부터 소정의 물질량을 균일하게 제거한다. 최소 요구량 이하의 폴리싱 화학물을 제공하므로써, 평탄화가 불균일하거나 웨이퍼가 손상된다. 최소 요구량 이상의 폴리싱 화학물을 제공하므로써, 슬러리가 낭비되며 제조 비용이 증가한다. 보통 반도체 제조업자들은 폴리싱 화학물을 장시간 동안 제조하는 비용이 손상된 폴리싱 웨이퍼들의 비용보다 낮기 때문에 많은 슬러리를 공급한다.
제조 환경에서, 전달된 슬러리량은 연동식 펌프(12)의 변화에 따라 시간에 대해 부정적인 영향을 받는다. 연동식 펌프(12)의 전달 변화는 가요성 튜브(13)의 서비스 간격에 의해 결정된다. 서비스 간격은 CMP공구를 폐쇄하는 치명적인 고장을 발생시키는 파손으로부터 가요성 튜브(13)를 보호하는 적절한 기간에 의해 결정된다. 보통, 가요성 튜브(13)의 교체를 위한 연동식 펌프(12)의 서비스는 한달에 한 번 정도 실시한다.
슬러리 전달율을 결정하기 위해 고려해야 하는 또 다른 이유는 흡입압력이다. 연동식 펌프(12)에 이르는 (전체적인 슬러리 전달시스템으로부터의) 폴리싱 화학물의 흡입압력은 상당하게 변화하며, 예를 들면 1406.2 내지 7031.0kg/m2(2 내지 10 lb/in2)의 압력범위는 드문 경우는 아니다. 일반적으로 전체 슬러리 전달시스템들은 가요성 튜브(13)가 물러날 수 있는 정도로 슬러리 압력을 제공할 수 있다. 연동식 펌프들은 슬러리의 흡입압력에 민감하다. 사실, 전달율은 압력이 증가함에 따라 가요성 튜브(13)가 팽창하여 더 큰 용량을 운반하기 때문에 더 높은 흡입압력에 따라 증가한다. CMP공구의 내장 슬러리 전달시스템은 가장 낮은 흡입압력에서 슬러리의 최소 요구량보다 더 큰 전달을 하도록 설정된다. 그리하여 슬러리 흡입압력이 최소압력보다 더 높을 때 슬러리의 상당한 양이 낭비된다.
또한 전달율은 가요성 튜브(13)의 소성변형에 의해 영향을 받는다. 롤러는 폴리싱 화학물을 전달하기 위해 가요성 튜브(13)를 계속해서 압착하거나 짓이긴다. 처음에는, 가요성 튜브(13)는 롤러(15)에 의해 납작해진 후에도 그것의 원래모습으로 되돌아간다. 점진적으로 소성변형이 일어나며 가요성 튜브(13)는 전달되고 있는 용량을 변화시킬 정도로 되돌아오지는 않는다. 즉 가요성 튜브(13)는 시간이 지남에 따라 응고되거나 변형된다. 또한 슬러리 전달율은 소성변형에 강한 영향을 받는다. (연동식 펌프(12)의 속도를 증가시키므로써)슬러리 전달율의 증가는 시간에 따라 가요성 튜브(13)의 소성변형율을 가속시킨다. 이상에서 밝힌 모든 문제점들은 시간에 따라 슬러리 전달율이 감소된다는 것이다.
현재, 화학 기계식 평탄화공구 제조업자들은 슬러리의 유동을 감지하는 임의 형태의 실제시간을 제공하지 않는다. 반도체 제조업자들은, 슬러리가 최소 요구 유동 이하로 진행하도록 변화시키므로써 슬러리 유동이 높은 초기 전달율에 의해 보상되는 것을 원치 않는다. 높은 초기 전달율은, 관리를 위해 정기적으로 가요성 튜브(13)를 교체할 때까지 이용되어야 하는 최소한의 슬러리 유동을 보장한다. 이러한 높은 초기 전달율은 슬러리 전달시스템이 필요량보다 많이 제공하기 때문에 높은 초기 전달율은 슬러리를 낭비한다. 보통의 화학 기계식 평탄화시스템의 증가된 전달율은 약 25% 이상의 슬러리를 낭비하는 것으로 평가된다. 평탄화공정 동안 폴리싱 화학물의 최소 요구량의 50% 이상을 갖는 것은 보기 드문 경우는 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 화학 기계식 평탄화(CMP)공구(21)의 평면도이다. CMP공구(21)는 평판(22)과, 탈이온수밸브(deionized(DI) water valve; 23)와, 다중 흡입밸브(24)와, 펌프(25)와, 분배막대 분기관(26)과, 분배막대(27)와, 조절용 아암(28)과, 서보밸브(29)와, 진공발생기(30)와, 웨이퍼 이송아암(31)을 포함한다.
평판(22)은 반도체 웨이퍼의 처리면을 평탄화시키기 위해 사용되는 여러 가지 폴리싱 매질과 화학물들을 지지한다. 보통 평판(22)은 알루미늄이나 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 제작된다. 평판(22)에는 모터(도시 안함)가 연결된다. 이 평판(22)은 사용자가 선택할 수 있는 표면 속도에 따라서 회전운동, 선회운동 또는 선형운동을 할 수 있다.
탈이온수 밸브(23)는 입구와 출구를 갖는다. 입구는 탈이온수소스(DI water source)에 연결된다. 제어회로(도시안함)는 탈이온수 밸브(23)를 가동하거나 중단시킨다. 탈이온수 밸브(23)가 가동될 때는 탈이온수는 다중 흡입밸브(24)에 제공된다. 다중 흡입밸브(24)는 분배막대(27)에 다른 물질들이 펌프되게 한다. 다중 흡입밸브(24)에 흡입되는 물질의 일실시예는 화학물과, 슬러리와 탈이온수이다. CMP공구(21)의 일실시예에서, 다중 흡입밸브(24)는 탈이온수 밸브(23)의 출구에 연결된 제 1 입구와, 슬러리소스(slurry source)에 연결된 제 2 입구와, 출구를 갖는다. 제어회로(도시안함)는 다중 흡입밸브(24)의 모든 입구들이 다중 흡입밸브(24)의 출구에 선택 물질을 유동시킬 수 없도록 하거나 밸브들의 임의의 조합이 다중 흡입밸브(24)의 출구에 선택 물질을 유동시킬 수 있게 한다.
펌프(25)는 분배막대 분기관(26)에 다중 흡입밸브(24)로부터 수용된 물질을 펌프한다. 펌프(25)에 의하여 제공된 펌핑율은 사용자 선택사항이다. 시간에 대한 유량 변화를 최소화하며 조건들을 변화시키므로써, 유량을 최소 요구 유량 가까이로 조절하며 이것은 화학물, 슬러리 또는 탈이온수의 낭비를 감소시킨다. 펌프(25)는 다중 밸브(24)의 출구와 연결된 입구와 출구를 갖는다.
분배막대 분기관(26)은 화학물, 슬러리 또는 탈이온수가 분배막대(27)에 회합(rout)되게 한다. 이 분배막대 분기관(26)은 펌프(25)의 출구에 연결된 입구와 출구를 갖는다. 다른 방식으로서는 분백막대(27)에 제공되는 각 물질을 위해 펌프를 이용하는 것이다. 예를 들어, 화학물, 슬러리 그리고 탈이온수의 각각은 분배막대 분기관(26)에 연결하는 펌프를 갖는다. 다중 펌프들의 사용은, 상응하는 펌프로 각 물질의 유량을 제어하므로써 상이한 물질들을 상이한 조합으로 정확하게 혼합되게 한다. 분배막대(27)는 폴리싱 매질 표면 상으로 화학물, 슬러리 또는 탈이온수를 공급한다. 분배막대(27)는 폴리싱 매질 표면 상으로 물질을 공급하는 적어도 하나의 오리피스를 갖는다. 분배막대(27)는 물질이 폴리싱 매질의 표면의 대부분에 확실하게 공급되도록 평판(22) 위에 매달려 그것에 걸쳐 뻗어있다.
웨이퍼 이송아암(31)은 폴리싱 매질 표면에 걸쳐 반도체 웨이퍼를 지지한다. 웨이퍼 이송아암(31)은 사용자가 선택할 수 있는 하향력(downforce)을 폴리싱 매질 표면 상으로 가한다. 일반적으로 웨이퍼 이송아암(31)은 선형운동 뿐만 아니라 회전운동도 할 수 있다. 반도체 웨이퍼는 진공에 의해 웨이퍼 이송체(carrier) 상으로 유지된다. 웨이퍼 이송아암(31)은 제 1 입구와 제 2 입구를 갖는다.
진공발생기(30)는 웨이퍼 이송아암(31)용 진공소스(vacuum source)이다. 진공발생기(30)는 웨이퍼 이송체에 의하여 웨이퍼픽업용으로 사용되는 진공을 발생시키며 또한 이 진공을 제어한다. 제조설비에서 진공소스을 이용할 수 있다면 진공발생기(30)는 필요하지 않다. 진공발생기(30)는 웨이퍼 이송아암(31)의 제 1 입구에 연결된 포트를 갖는다. 서보밸브(29)는 평탄화가 완료한 후에 웨이퍼를 방출하기 위해 웨이퍼 이송아암(31)에 가스를 제공한다. 또한 평탄화작업 동안 웨이퍼의 자세를 제어하도록 웨이퍼의 배면 상에 압력을 가하기 위해 가스가 사용된다. CMP공구의 실시예로서, 이 가스는 질소이다. 서보밸브(29)는 질소소스에 연결된 입구와 웨이퍼 이송아암(31)의 제 2 입구에 연결된 출구를 갖는다.
폴리싱 매질의 표면 상으로 연마용 단부작동체(abrasive end effector)를 적용하기 위해서 조절용 아암(28)이 사용된다. 연마용 단부작동체는 폴리싱 매질 표면을 평탄화시키며 화학적인 운송을 돕기 위하여 표면을 세정하거나 거칠게한다. 보통 조절용 아암(28)은 회전운동과 병진운동을 할 수 있다. 단부작동체가 폴리싱 매질의 표면 상에 가압하는 하향력이나 압력은 조절용 아암(28)에 의해 제어된다.
도 3은 도 2에 도시한 화학 기계식 평탄화(CMP)공구(21)의 측면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 조절용 아암(28)은 패드 조절장치 커플링(pad conditioner coupling; 32)과 단부작동체(33)를 포함한다. CMP공구(21)는 폴리싱 매질(34)과, 이송막(35)과, 이송링(36)과, 이송어셈블리(37)와, 기계장착대(38)와, 열교환기(39)와, 덮개(40)와 반도체 웨이퍼(77)를 추가로 포함한다.
평판(22) 상에는 폴리징 매질(34)이 배치된다. 보통, 폴리싱 매질(34)은 압력감지 접착제(pressure sensitive adhesive)를 사용하여 평판(22)에 부착된다. 폴리싱 매질(34)은 위에 폴리싱 화학물을 유입하는 적절한 표면을 제공한다. 폴리싱 매질(34)은 전체적 및 국부적 웨이퍼 표면 균형을 위한 화학적 이송과 마이크로-컴플라이언스(micro-compliance)를 제공한다. 보통, 폴리싱 매질(34)은 폴리우레탄 패드이며, 부드럽고, 또한 화학적 이송용 노출표면의 전체를 통하여 작은 구멍들이나 환형 그루브들을 포함한다.
이송어셈블리(37)는 웨이퍼 이송아암(31)에 연결한다. 이송어셈블리(37)는 반도체 웨이퍼(77)를 평판(22)과 관련하여 회전시키는 기초부(foundation)를 제공한다. 또한 이송어셈블리(37)는 폴리싱 매질(34)에 대항하여 이송어셈블리를 유지하기 위하여 반도체 웨이퍼(77) 상에 하향력을 가한다. 사용자는 모터(도시 안함)로써 이송어셈블리(37)의 회전을 제어한다. 이송어셈블리(37)는 평탄화작업 동안에는 반도체 웨이퍼(77)를 유지하며, 평탄화작업이 끝난 후에는 반도체 웨이퍼(77)의 형상을 나타내며 반도체 웨이퍼(77)를 방출한다.
이송링(36)은 이송어셈블리(37)에 연결한다. 이송링(36)은 반도체 웨이퍼(77)를 이송어셈블리(37)에 동축으로 배치하며 반도체 웨이퍼(77)가 횡으로 이동하는 것을 물리적으로 방지한다. 이송막(35)은 이송어셈블리(37)의 표면에 연결한다. 이송막(35)은 평탄화작업 동안 이송어셈블리(37)에 관련한 미끄러짐(slippage)으로 인한 회전을 방지하기 위하여 적절한 마찰특성을 통하여 반도체 웨이퍼(77)용 표면을 제공한다. 추가로, 이송막은 평탄화공정을 도울 수 있도록 약간 부드럽다.
패드 조절장치 커플링(32)은 조절용 아암(28)에 연결한다. 패드 조절장치 커플링(32)은 평판(22)과 단부작동체(33) 사이에서 각진 컴플라이언스(angular compliance)를 허용한다. 단부작동체(33)는 평탄화되는 반도체 웨이퍼(77)의 표면에 대한 화학적 이송을 도우며 평탄을 얻기 위하여 폴리싱 매질(34)을 벗긴다.
화학반응은 온도에 민감하다. 보통 반응율은 온도에 따라 증가하는 것으로 알려져 있다. 화학 기계식 평탄화작업에서, 평판화공정의 온도는 반응율을 제어하는 임의의 범위 내에 유지된다. 이 온도는 열교환기(39)에 의해 제어된다. 열교환기(39)는 가열 및 냉각용 평판(22)에 연결된다. 예를 들어, 처음에 한 묶음의 웨이퍼를 평탄화시키기 시작할 때, 온도는 거의 상온이다. 열교환기(39)가 평판(22)을 가열시켜 최소 화학반응율을 확실하게 발생시키도록 소정의 최소온도 이상에서 CMP공정이 실시된다. 보통, 열교환기(39)는 평판(22)을 가열시키거나 냉각시키기 위해서 온도 이송/제어 메카니즘으로서 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 사용한다. 화학 기계식 평탄화공정을 통하여 웨이퍼들을 계속해서 진행시키므로써 열을 발생시키며, 예를 들면 이송어셈블리(37)는 열을 유지한다. CMP공정이 발생시키는 온도를 상승시키므로써, 화학반응율을 증가시킨다. 열교환기(39)를 통한 냉각 평판(22)은 CMP공정이 소정의 최대온도 이하에서 실시되어 최대반응이 초과되지 않도록 보장한다.
기계장착대(38)는 폴링싱 공구와 일체로 형성되지 않은 밑바닥 장착받이팬(floor mounted drip pan) 높이 이상으로 화학 기계식 평탄화공구(21)를 들어올린다. 또한 기계장착대(38)는 CMP공구(21)의 높이를 지정하는 조절특성을 가지며, 진동을 흡수하거나 분리하도록 설계된다.
화학 기계식 평탄화공구(21)는 덮개(40) 내에 수용된다. 상술한 바와 같이, CMP공정은 인간과 환경에 유해한 부식 물질을 사용한다. 덮개(40)는 입자와 화학증기의 이탈을 방지한다. CMP공구(21)의 모든 작동부품들은 사고를 방지하기 위해 덮개(40) 내에 수용된다.
화학 기계식 평탄화공구(21)의 작동방식을 이하에 기재한다. 작동방식의 설명에서 단계들의 특정순서를 의미하거나 포함하지 않으며, 단계들은 주로 사용된 반도체 웨이퍼 폴리싱의 형태에 따라 결정된다. 열교환기(39)는 화학 기계식 평탄화공정이 시작될 때 슬러리 내의 화학물이 최소 반응율을 갖도록 소정온도까지 평판(22)을 가열한다. 모터는 폴리싱 매질(34)을 회전운동, 선회운동 또는 선형운동 중 어느 한가지 운동상태로 가져가는 평판(22)을 구동한다.
웨이퍼 이송아암(31)은 소정위치에 배치된 반도체 웨이퍼(77)를 집어올리도록 이동한다. 진공발생기는 이송어셈블리(37)에 진공을 제공할 수 있다. 이송어셈블리(37)는 반도체 웨이퍼(77)에 배치되어 반도체 웨이퍼(77)의 미처리된 쪽과 이송어셈블리의 표면이 접촉하도록 이동한다. 이송막(35)은 이송어셈블리(37)의 표면에 부착된다. 진공과 이송막(35)은 반도체 웨이퍼(77)를 이송어셈블리(37)의 표면에 유지한다. 이송링(36)은 이송어셈블리(37)의 표면 상에서 동축으로 반도체 웨이퍼(77)를 억누른다.
다중 흡입밸브(24)는 펌프(25)에 슬러리를 공급할 수 있다. 펌프(25)는 분배막대 분기관(26)에 슬러리를 제공한다. 슬러리는 슬러리가 폴리싱 매질(34)의 표면에 전달되는 분배막대로 분배막대 분기관(26)을 통하여 흐른다. 분배막대(27) 내에서 슬러리가 경화되는 것을 방지하도록 슬러리를 교반하기 위해서, 탈이온수 밸브(23)가 분배막대(27)를 통하여 물을 제공할 수 있도록 주기적으로 개방된다. 평판(22)의 운동은 폴리싱 매질(34)의 표면 전체를 통해서 폴리싱 화학물을 공급하는 것을 돕는다. 보통, 슬러리는 폴리싱 공정 전체를 통해서 일정율로 전달된다.
그후 웨이퍼 이송아암(31)은 폴리싱 매질(34) 위의 위치로 귀환한다. 웨이퍼 이송아암(31)은 폴리싱 매질(34)과 접촉하여 반도체 웨이퍼(77)를 배치한다. 폴리싱 화학물은 폴리싱 매질(34)을 덮는다. 웨이퍼 이송아암(31)은 슬러리와 반도체 웨이퍼(77) 사이의 마찰을 증진시키도록 반도체 웨이퍼(77) 상에 하향력을 가한다. 폴리싱 매질(34)은 폴리싱 매질에 대하여 가압될 때 조차도 슬러리의 화학물이 반도체 웨이퍼(77) 아래에서 유동할 수 있는 화학적 이송이 가능하도록 설계된다. 시스템에서 열이 증가되면, 열교환기(39)는 화학 반응율을 제어하기 위해서 가열평판(22)으로부터 냉각평판(22)으로 변화한다.
평판(22)은 기계식 폴리싱에 있어서 반도체 웨이퍼(77)에 관련한 운동상태로 배치된다고 앞서 설명하였음을 주목한다. 반대로, 평판(22)은 고정위치에 놓일 수 있으며 이송어셈블리(37)는 회전운동, 선회운동 또는 병진운동상태로 놓인다. 일반적으로, 평판(22)과 이송어셈블리(37)는 기계식 평탄화작업을 돕기 위하여 두 가지 운동상태에 있다.
웨이퍼 이송아암(31)은, 화학 기계식 평탄화공정이 완료된 후에 폴리싱 매질(34)로부터 이송어셈블리(37)를 들어올린다. 웨이퍼 이송아암(37)은 세정하기 위하여 소정영역에 반도체 웨이퍼(77)를 이동시킨다. 그후 웨이퍼 이송아암(31)은 웨이퍼 하역위치에 반도체 웨이퍼(77)를 이동시킨다. 그후 진공발생기(30)는 중지되며 서보밸브(29)는 반도체 웨이퍼(77)를 배출하기 위해서 이송어셈블리(37)에 가스를 제공하여 개방된다.
화학 기계식 평탄화공정의 균일성은 폴리싱 매질(34)을 주기적으로 조절하므로써 유지되며 이것을 보통 패드 조절(pad conditioning)이라고 한다. 패드 조절은 폴리싱 매질(34)에서 생성되며 파묻힌 슬러리와 입자들을 제거하므로써 진행된다. 또한 패드 조절은 화학적 이송을 진행시키기 위해 표면을 평탄화시키며 폴리싱 매질(34)의 보풀(nap)을 거칠게 한다. 이러한 패드 조절은 조절용 아암(28)으로 달성된다. 조절용 아암(28)은 단부작동체(33)를 폴리싱 매질(34)과 접촉하도록 이동시킨다. 단부작동체(33)는 산업용 다이아몬드나 폴리싱 매질(34)을 조절하는 다른 연마재로 코팅된 표면을 갖는다. 패드 조절장치 커플링(32)은 평판(22)과 단부작동체(33) 사이에서 각진 컴플라이언스를 허용하도록 조절용 아암(28)과 단부작동체(33) 사이에 놓인다. 조절용 아암(28)은 패드 조절을 돕기 위하여 회전운동과 병진운동을 할 수 있다. 패드 조절은 평탄화공정 동안과, 웨이퍼 출발들 사이와, 웨이퍼 처리에 앞서 새로운 패드를 조절하기 위해서 실시된다.
상술한 바와 같이, 화학 기계식 평탄화공구들에서 폴리싱 화학물(슬러리)의 전달을 위한 공정에 사용되는 연동식 펌프들은 일정 비율로 폴리싱 화학물을 제공하지 않는다. 전달율은 시간에 따라 감소한다. 연동식 펌프들은, 폴리싱 화학물의 충분한 양이 손실없이 반도체 웨이퍼를 평탄화하는 폴리싱 매질에 확실하게 제공되도록 하기 위해서 시간에 따른 감소율을 보상할 수 있는 높은 전달율로 설정된다. 높은 전달율은 필요한 것보다 더 많은 폴리싱 화학물을 제공하며, 이때 평탄화공정에서는 전달된 폴리싱 화학물의 25% 이상은 불필요하며 낭비된다.
실험결과는 폴리싱 화학물의 최소 전달율은 평탄화공정의 각 형태에 따라 규정될 수 있다는 것을 보여준다. 폴리싱 화학물을 최소 전달율 이하로 공급하므로써, 불균일한 웨이퍼 평탄화, 폴링싱율의 감소 또는 보다 나쁜 웨이퍼 손상을 야기한다. 최소 전달율 이상으로 제공하면, 폴리싱 화학물을 낭비하게 되어 제조비용을 증가시킨다. 그리하여 시간에 대하여 정확하고 일정한 전달율을 제공하는 펌프가 바람직하다. 그러한 펌프의 일례는 양변위 펌프(positive diesplacement pump)이다. 이 양변위 펌프는 각 펌핑 사이클에서 물질의 고정 용량을 배출하거나 펌핑한다. 예를 들어, 연동식 펌프는 전달된 물질의 용량이 흡입압력에 따라 직접 변화하며 시간에 대하여 역으로 변화하기 때문에 양변위 펌프는 아니다. 양변위 펌프의 일례는 다이어프램 펌프이다. 다이어프램 펌프는 흡입압력의 변화에 관계없이 물질의 고정용량을 전달한다.
도 4는 본 발명에 따라서 화학 기계식 평탄화공구에 사용하는 다이어프램 펌프(41)의 단면도이다. 다이어프램(41)은 슬러리의 부식제 화학물로부터 이동성분들을 분리한다. 보통, 다이어프램 펌프(41)의 모든 습기면들은 폴리싱 화학물에 대해 불활성인 폴리머 조성이다. 다이어프램 펌프는 입구와, 출구와, 플런저(42)와, 회전부재(43)와, 다이어프램(44)과, 체크밸브(45, 46)와 챔버(47)를 포함한다.
도시한 바와 같은 다이어프램(44)은 플런저(42)의 표면에 고정된다. 다이어프램(44)은 다이어프램 펌프(41)의 이동성분들로부터 폴리싱 화학물을 분리한다. 다른 접근수단으로는 다이어프램을 번갈아 움직이며 유압유체의 작은 용량을 가압하는 플런저를 갖는다. 가압된 유체를 이용하므로써 다이어프램 상에 균일한 압력을 가할 수 있는 장점을 갖는다. 모터(도시 안함)는 회전부재(43)를 회전시킨다. 회전부재(43)는 이동 플런저(42)에 있어서 회전운동을 왕복운동으로 변환하는 플런저(42)에 연결한다.
체크밸브(45)는 폴리싱 화학물을 다이어프램 펌프(41) 내로 진입시킨다. 챔버(47)는 플런저(42)의 위치에 따라 체적을 변화시킨다. 챔버(47)는 플런저(42)의 하사점에서 최대체적을 갖는다. 다이어프램 펌프(41)의 입구에 제공된 폴리싱 화학물은 압력상태에 있다. 이 압력은 폴리싱 화학물이 챔버(47)에 진입하여 이 챔버를 채울 수 있게 한다. 플런저(42)의 상향운동은 체크밸브(45)를 폐쇄하는 폴리싱 화학물의 흡입압력을 이겨낸다. 챔버(47)는 플런저(42)가 상사점에 있을 때 최소체적을 갖는다. 플런저(42)는 체크밸브(46)를 밀어 개방하며 챔버(47)의 최대체적과 최소체적 사이의 차이와 동등한 폴리싱 화학물의 체적을 전달한다. 체크밸브(45, 46)들은 다이어프램 펌프(41)를 통한 역류를 방지한다. 다시 말해서, 폴리싱 화학물은 다이어프램 펌프(41)를 통한 반대방향 또는 역방향(출구로부터 입구로)으로 유동할 수 없다.
다이어프램(44)은 소성변형이 발생하는 정도까지 변형되지 않는다. 플런저(42)의 진폭은 다이어프램(44)이 각 펌프사이클 후에 원래 형태로 복원되는 정도이다. 다이어프램 펌프(41)의 서비스에 대한 필요성은 거의 없기 때문에, 실질적으로 화학 기계식 평탄화공구의 중단시간을 감소시킨다. 일반적으로, 다이어프램 펌프(41)의 서비스간격으로써 다이어프램 교체시기는 2년이고 모터 구동용 어셈블리는 5년이다.
다이어프램 펌프(41)는 플런저(42)의 위치에 관계없는, 입구로부터 출구까지의 통로를 갖는다. 폴리싱 화학물의 흡입압력은 폴리싱 화학물을 챔버(47) 내로 전달하며 또한 체크밸브(46)를 개방한다. 폴리싱 화학물은 일단 챔버(47)가 채워지면 다이어프램 펌프(41)의 출구로부터 흘러나와 폴리싱 화학물을 낭비할 것이다. 이러한 문제점은 챔버(47)가 채워질 때 플런저(42)의 하사점 동안에 폐쇄된 체크밸브(46)를 유지하므로써 해결된다.
도 5는 본 발명에 따라서 화학 기계식 평탄화공구의 슬러리 전달시스템을 도시한 도면이다. 이 슬러리 전달시스템(51)은 체크밸브(52)와, 다이어프램 펌프(53)와, 체크밸브(54)와, 배압밸브(55)와, 분배막대 분기관(57)과, 분배막대(58)와, 평판(59)을 포함한다.
체크밸브(52)는 폴리싱 화학물을 수용하는 입구와 출구를 포함한다. 폴리싱 화학물은 화살표 방향으로 흐른다. 체크밸브(52)는 폴리싱 화학물의 유동을 중지시키기 위해 차단될 수 있는 통로를 갖는다. 통로는, 폴리싱 화학물이 화살표로 표시한 방향의 역방향(역류)으로 유동할려고 하면 차단된다. 다시 말해서, 체크밸브(52)는 폴리싱 화학물을 단지 한 방향(펌프를 향한 방향)으로 유동시킬 수 있다.
다이어프램 펌프(53)은 체크밸브(52)의 출구에 연결된 입구와 폴리싱 화학물을 제공하는 출구를 갖는다. 폴리싱 화학물의 흡입압력은 상당하게 변할 수 있다. 다이어프램 펌프(53)는 양변위 펌프이며, 이로 인하여 각 펌프 사이클에 대하여 출구에서 폴리싱 화학물의 일정 용량을 제공한다. 다이어프램(53)은 폴리싱 화학물을 하류로 안내하는 매우 높은 배출압력을 발생시킬 수 있다.
체크밸브(54)는 다이어프램 펌프(53)의 출구에 연결된 입구와 출구를 포함한다. 폴리싱 화학물은 화살표로 표시한 방향으로 흐른다. 체크밸브(54)는 체크밸브(52)와 유사하게 작동하며, 폴리싱 화학물의 유동을 중단시키도록 폐쇄될 수 있는 통로를 포함한다. 다이어프램 펌프(53)을 통한 통로는 폴리싱 화학물이 화살표로 표시한 방향의 반대방향으로 유동할려고 하면 체크밸브(52, 54)들에 의해 폐쇄된다.
체크밸브(52)의 입구에서의 폴리싱 화학물의 압력 때문에 다이어프램 펌프(53)를 통하여 흐르는 폴리싱 화학물로 인한 낭비의 문제를 제거하기 위하여, 슬러리 전달시스템(51) 내에는 배압밸브(55)가 사용된다. 폴리싱 화학물의 흡입압력은 체크밸브(52)를 개방하여 다이어프램 펌프(53)의 챔버를 채우고, 체크밸브(54)를 개방하여 펌프로부터 폴리싱 화학물을 유동시킨다. 배압밸브(55)는 체크밸브(54)를 가로지르는 압력차이를 발생시켜 이 압력차이가 폴리싱 화학물의 원치않는 유동을 방지하도록 체크밸브(54)를 폐쇄된 체로 유지한다.
배압밸브(55)는 입구와, 출구와, 통로(61)와, 밸브(63)와, 압력제어(56)와, 피드백 제어(64; 선택사항)를 포함한다. 배압밸브(55)의 입구는 체크밸브(54)의 출구와 통로(61)에 연결한다. 통로(61)는 밸브(63)에 의해 폐쇄된다. 통로(61)는 밸브(63)가 개방될 때 배압밸브(55)의 입구로부터 출구까지의 연결채널을 형성한다. 통로(61)를 밀봉하거나 차단하는 압력제어(56)에 의해서 밸브(63)에 소정압력이 가해진다. 밸브(63)는 소정압력을 초과하는 압력으로 배압밸브(55)의 입구에 폴리싱 화학물을 제공하므로써 개방된다. 피드백(64)은 소정압력을 조절한다.
체크밸브(54)를 가로지르는 압력차이는 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 최대 흡입압력보다 더 큰 압력으로 압력제어(56)의 소정압력을 설정하므로써 발생된다. 예를 들어, 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 흡입압력이 1406.2 내지 7031.0 kg/m2(2 내지 10 lb/in2)의 범위 내라고 가정하자. 이때 최대 흡입압력은 7031.0 kg/m2이다. 밸브(63) 상에 10546.5 kg/m2(15 lb/in2)의 압력을 제공하도록 압력제어(56)를 설정하므로써, 다이어프램 펌프(53)가 폴리싱 화학물의 정확한 용량을 전달할 준비가 될 때까지 체크밸브(54)는 확실하게 폐쇄된다. 3515.5 kg/m2(5 lb/in2)의 최소 압력차이는 다이어프램 펌프(53)의 하사점 동안 체크밸브(54)를 폐쇄된 체로 유지한다. 9140.3 kg/m2(13 lb/in2)의 최대 압력차이는 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 압력이 1406.2 kg/m2(2 lb/in2)일 때 발생한다. 다이어프램 펌프(53)는 10546.5 kg/m2(15 lb/in2)을 초과하는 압력에서 폴리싱 화학물을 펌프할 수 있다.
펌핑 사이클은 슬러리 전달시스템(51)에서 낭비가 얼마나 줄어들었는가를 도시한다. 먼저, 다이어프램 펌프(53)가 폴리싱 화학물의 측정량을 전달하므로써 행정의 제일 윗부분에 있다고 가정하자. 플런저는 다이어프램 펌프(53)의 챔버를 위로 개방하는 하사점 상에서 시작한다. 체크밸브(54)의 출구에서의 압력은 밸브를 폐쇄된 채로 유지하는 체크밸브(54)의 입구에서의 압력보다 더 크다. 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 흡입압력은 플런저가 하사점에 도달할 때(챔버가 최대 용량으로 채워질 때)까지 다이어프램 펌프(53)의 챔버를 채우는 체크밸브(52)를 개방한다. 플런저의 상향 행정은 체크밸브(54)의 입구에서 압력을 발생시킨다. 폴리싱 화학물들은 액체와 고체물질로 제조되며 그결과 비압축성이다. 다이어프램 펌프(53)에 의하여 발생된 압력은 체크밸브(54)와 밸브(63)를 개방하는 압력제어(56)에 의하여 밸브(63) 상에 가해진 소정압력을 초과한다. 다이어프램 펌프(53)의 플런저는 배압밸브(55)의 출구에서 폴리싱 화학물을 전달하여 챔버 내에서의 체적으로 변화시킨다. 각 펌프 사이클에 따라서 플런저는 챔버 내의 정확한 체적으로 변화시키며, 이것은 체크밸브(52)의 입구에서의 압력에 관계없음을 주목하자.
배압밸브(55)의 실시예에서, 밸브(63)를 폐쇄된 체로 유지하기 위하여 소정압력이 기계적으로 발생된다. 보통, 스프링은 밸브(63)를 폐쇄된 체로 유지하여 압력을 제공한다. 압력의 크기는 소정압력으로 각각 증가시키거나 감소시키기 위하여 스프링을 가압하거나 감압하는 스크류메카니즘에 의해 제어된다. 일반적으로, 기계적으로 조절가능한 배압밸브는 대부분의 응용분야에 적당한 소정압력의 단일설정을 허용한다.
피드백(64)은 밸브(63)를 폐쇄된 체로 유지하여 압력제어(56)에 의해 제공된 소정압력으로 조절한다. 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 압력변화는 밸브(63)를 폐쇄된 체로 유지하여 소정압력에 감지되고 이 소정압력에 가하여지거나 감하여지며, 이로 인하여 배압밸브(55)의 출구에서 일정 폴리싱 화학물의 압력을 제공한다. 소정압력을 조절하므로써, 체크밸브(54)를 가로지르는 압력차이를 일정하게 하거나 조절할 수 있다. 체크밸브(52)의 입구에서 폴리싱 화학물의 압력변화를 보상하도록 공압식 및 전기식 피드백이 사용된다. 밸브(63)를 폐쇄된 체로 유지하여 압력을 변화시키도록 제어된 가압 가스가 사용된다. 전기적으로 발생된 압력변화는 모터나 솔레노이드에 의해 달성된다.
시중에 제공된 대부분의 배압밸브는 장치의 통로에서 다른 평면에 대항하여 밀봉하는 평면을 구비한 밸브를 갖는다. 이러한 공동형태의 배압밸브를 사용하므로써, 다이어프램 펌프를 파괴할 수 있는 장치에 압력파를 발생시킨다. 예를 들어, 배압밸브가 폴리싱 화학물의 용량을 전달한 후에 차단될 때 압력파가 다이어프램 펌프를 향하여 전달된다. 또한 압력파는, 펌프행정 동안 밸브가 슬러리를 간헐적으로 유동시킬 때 밸브의 흔들거림(tea kettling or chattering)으로 인하여 다이어프램을 향하여 반사할 수 있다. 가장 나쁜 상황은, 다이어프램 펌프의 다이어프램이 다이어프램을 파괴할 정도의 힘으로 가격하여 펌프를 파괴하는 압력파를 갖는 것이다.
압력파는, 배압밸브 내의 통로를 폐쇄하는 테이퍼진 표면을 구비한 밸브를 갖는 배압밸브를 사용하므로써 크기와 주파수를 상당하게 완충시키거나 감소시킨다. 통로 내의 밀봉면은 밸브의 테이퍼진 표면에 상응하는 테이퍼를 갖거나 갖지 못할 수도 있다. 예를 들어 밸브(63)는 원호모양의 면으로 도시한다. Ryan Herco Company는 PLAST-O-MATIC 이름의 배압밸브를 제작하였으며, 이들 중 몇몇은 원호모양의 표면이나 면을 구비한 밸브를 갖는다.
분배막대 분기관(57)은 배압밸브(55)의 출구에 연결된 입구와 출구를 갖는다. 분배막대(58)는 분배막대 분기관(57)의 출구에 연결된 입구와 폴리싱 화학물을 제공하는 출구를 갖는다. 분배막대(58)는 평판(59) 위에 지지된다. 다이어프램 펌프(53)의 플런저에 의한 변화량과 동일한 폴리싱 화학물의 용량은 분배막대 분기관(57)과 분배막대(58)를 통하여 유동하며, 평판(59) 상의 폴리싱 매질의 표면으로 분배된다. 평판(59)의 이동으로써, 표면에 폴리싱 화학물을 공급한다. 반도체 웨이퍼는 폴리싱 화학물 및 폴리싱 매질과 접촉하여 배치된다. 화학 기계식 평탄화공구들은 반도체 웨이퍼를 기계적으로 연마하기 위해 다른 여러 가지 형태의 운동을 이용함을 주목한다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼와 폴리싱 매질 사이에서 운동을 발생시키기 위하여 평판이나 웨이퍼 이송체 상에 회전운동과, 선회운동과, 병진운동이 사용된다.
이제까지 반도체 웨이퍼를 평탄화하는 평탄화시스템과 평탄화방법을 설명하였다. CMP공구는 평탄화공정 동안에 반도체 웨이퍼를 지지하는 평판을 포함한다. 평판 상의 폴리싱 매질은 폴리싱 화학물에 적합한 표면을 제공한다. 다이어프램 펌프는 폴리싱 매질을 분배막대에 펌핑한다. 다이어프램 펌프는 각 펌프 사이클에서 폴리싱 화학물의 일정용량을 제공하는 양변위 펌프이다. 다이어프램 펌프의 정확도와 신뢰도는 폴리싱 화학물의 낭비를 감소시키기 위하여 유량을 최소 요구량 가까이로 설정할 수 있게 하며, 펌프의 신뢰도는 중요 서비스를 해야 할 시기를 연장시킨다. 분배막대는 평판 상에 지지되며 폴리싱 매질로 폴리싱 화학물을 공급한다. 반도체 웨이퍼의 처리된 쪽은 평탄화작업을 진행하기 위해서 폴리싱 매질과 접촉하여 배치된다. 평판이나 반도체 웨이퍼 또는 이들 두 부품은 반도체 웨이퍼를 평탄화하기 위해서 운동이 가해진다.
체크밸브는 다이어프램 펌프 전후에 배치된다. 체크밸브는 폴리싱 화학물이 펌핑방향의 역방향으로 흐르는 것을 방지한다. 다이어프램 펌프의 출구에서 체크밸브를 가로지르는 압력차이를 발생시키기 위하여 다이어프램 펌프의 출구의 아래쪽에 배압밸브가 배치된다. 배압밸브(폴리싱 화학물을 유동시키기 위하여)는 다이어프램 펌프의 입구에서(또는 다이어프램 펌프의 입구에 연결된 체크밸브의 입구에서)의 폴리싱 화학물의 최대압력보다 더 큰 압력으로 설정된다. 배압밸브는 펌프의 입구에서의 폴리싱 화학물의 압력으로 인하여 폴리싱 화학물이 다이어프램 펌프를 통하여 흐르는 것을 방지한다.
배압밸브는 폴리싱 화학물을 유동시키기 위한 통로를 포함한다. 배압밸브는 밸브가 폐쇄될 때 손상 압력파가 시스템 내에서 진행되는 것을 방지하기 위하여 테이퍼진 표면이나 면을 구비한 밸브를 갖는다. 압력제어에 의하여 제공된 압력에 의하여 밸브는 폐쇄된 체로 유지된다.
배압밸브를 개방시키도록 압력을 제어하므로써 하류압력을 추가로 제어할 수 있다. 다이어프램 펌프의 입구에서의 압력이 증가/감소되면, 배압밸브를 개방시키는 압력은 증가/감소된다. 일반적으로, 압력보상은 다이어프램 펌프의 출구에서 체크밸브를 가로지르는 일정 압력차이를 발생시킨다.
다이어프램 펌프와, 체크밸브와, 배압밸브를 사용하므로써, 폴리싱 화학물의 일정 및 정확한 용량을 전달할 수 있다. 전달율은 일관된 웨이퍼 평탄화작업을 보장하기 위해서 최소 요구 유량으로 또는 최소 요구 유량 가까이로 설정된다. 폴리싱 화학물은 최소 요구 유량이 실질적인 비용 절감을 제공하도록 사용되기 때문에 낭비되지 않는다. 또한 슬러리 전달시스템의 관리와 신뢰도는 관리기간을 연장하며 웨이퍼 처리량을 증가시키도록 향상된다.

Claims (5)

  1. 화학 기계식 평탄화공구에 있어서,
    반도체 웨이퍼(77)를 지지하는 평판(22)과;
    폴리싱 화학물을 수용하는 입구와 출구를 갖는 다이어프램 펌프(12)와;
    상기 다이어프램 펌프(12)의 상기 출구에 연결된 입구와 상기 반도체 웨이퍼(77)를 평탄화시키기 위해 상기 폴리싱 화학물을 제공하는 출구를 갖는 분배막대를 포함하는 화학 기계식 평탄화공구.
  2. 반도체 웨이퍼용 화학 기계식 평탄화방법에 있어서,
    폴리싱 매질(22, 34)의 표면 상으로 양변위 펌프(positive displacement pump; 12)로써 폴리싱 화학물을 펌핑하는 단계와;
    상기 폴리싱 매질(22, 34)의 상기 표면 상에 상기 폴리싱 화학물을 분포시키는 단계와;
    상기 폴리싱 매질(22, 34)의 상기 표면과 접촉하여 반도체 웨이퍼(77)의 처리면(processed side)을 배치하는 단계와;
    반도체 웨이퍼(77)로부터 물질을 제거하기 위해 상기 폴리싱 매질(22, 34)이나 반도체 웨이퍼(77) 중 적어도 하나를 이동시키는 단계를 포함하는 화학 기계식 평탄화방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 양변위 펌프(12)에 상기 폴리싱 화학물을 제공하는 단계와;
    상기 양변위 펌프(12)를 통하여 상기 폴리싱 화학물의 역류를 방지하는 단계를 추가로 포함하는 화학 기계식 평탄화방법.
  4. 화학 기계식 평탄화방법에 있어서,
    폴리싱 매질(22, 34)을 제공하는 단계와;
    폴리싱 화학물을 제공하는 단계와;
    다이어프램 펌프(12)로 상기 폴리싱 매질에 상기 폴리싱 화학물을 펌핑하는 단계와;
    상기 다이어프램 펌프(12)의 입구에서 상기 폴리싱 화학물의 최대압력을 초과하는 소정압력을 상기 다이어프램 펌프(12)의 출구에서 상기 폴리싱 화학물의 압력이 초과할 때, 상기 폴리싱 매질에 상기 폴리싱 화학물을 분배하는 단계와;
    상기 폴리싱 매질(22, 34)의 표면에 상기 폴리싱 화학물을 분포시키는 단계와;
    상기 폴리싱 매질(22, 34)과 접촉하도록 반도체 웨이퍼(77)를 배치하는 단계와;
    상기 폴리싱 매질(22, 34)이나 반도체 웨이퍼(77) 중 적어도 한쪽을 이동시키는 단계를 포함하는 화학 기계식 평탄화방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다이어프램 펌프(12)를 통하여 상기 폴리싱 화학물의 역류를 방지하는 단계를 추가로 포함하는 화학 기계식 평탄화방법.
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