KR20010075087A - 진동 궤도 연마기와 그 방법 - Google Patents

진동 궤도 연마기와 그 방법 Download PDF

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존 에이. 아담스
에브렛 디. 스미쓰
스티븐 씨. 스컬츠
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카리 홀란드
스피드팜-아이피이씨 코포레이션
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Abstract

화학적 기계적 연마에 의해 반도체 기판(152)의 표면으로부터 물질을 제거하는 속도의 균일성을 향상시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명에 따라 반도체 기판(152)은 회전 연마운동, 진동 연마운동, 스위핑 연마운동 및 선형 연마운동으로부터 선택된 적어도 1이상의 부가적 연마운동과, 궤도운동을 포함하는 연마운동의 조합으로 처리된다. 본 발명은 또한 보다 균일한 컨디셔닝을 제공하고, 그들의 유용한 수명을 연장시키기 위해 연마패드(160)를 컨디셔닝하는 개선된 방법을 제공한다.

Description

진동 궤도 연마기와 그 방법{OSCILLATING ORBITAL POLISHER AND METHOD}
집적회로의 제조시에 광학기반의 포토리소그래피 공정이 사용된다. 이들 공정은 정밀한 이미지를 생성하기 위해 정확한 포커싱을 필요로 하기 때문에 표면의 평탄화가 중요한 쟁점이 된다. 반도체 장치를 훨씬 더 컴팩트하고 고속으로 만들기 위해 선폭의 크기가 축소됨에 따라 이 평탄화는 상당히 중요하게 되었다. 보다 미세한 선폭에 대한 보다 정밀한 광학적 포커싱은 "필드의 깊이(depth of field)"를 상실하게 한다(즉, 포커싱은 매우 제한된 깊이의 평면에서만 정밀하다). 따라서 포토리소그래픽 공정에 의해 미세한 선폭의 컴팩트한 고속 반도체장치를 제조할 수 있도록 양호한 포커싱을 확보하기 위해서는 평탄한 표면이 필수적이다.
반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해서는 여러가지 기술이 있다. 그러한 기술들 중의 하나로 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)가 있다. Brigham Young Unversity의 린톤 샐몬 박사(Dr. Linton Salmon)의 논문제목 "화학적 기계적 연마: 서브 하프 마이크론장치(Sub Half Micron Devices)의미래"(1996년 11월 15일)에 나타나 있는 바와 같이 CMP는 이제 서브 마이크론 선을 갖는 웨이퍼를 평탄화하기 위한 가장 효과적인 방법으로 간주된다. 이 공정에서는 외부를 향하는 집적회로면과 함께 회전 캐리어나 척 상에 웨이퍼가 탑재된다. 그리고 연마 패드가 집적회로면과 접촉한다. 연마를 효과적으로 실행하기 위해 캐리어 및/또는 플래튼(platen)에 의해 압력이 가해질 수 있다. 샐몬의 논문에 따르면 어떤 CMP 기기에서는 웨이퍼가 회전하지만 연마패드가 고정되어 있고, 다른 CMP기기에서는 연마패드가 회전하지만 웨이퍼 캐리어는 고정되어 있으나, 다른 종류에서는 웨이퍼 캐리어와 패드가 동시에 회전한다. 연마패드는 용액속에 떠있는 다양한 연마입자를 갖는 슬러리에 의해 미리 적셔지고 계속 다시 적셔질 수 있다. 통상적으로 입자크기의 범위는 30~1,100나노미터이다. 연마에 의한 평탄화후, 잔류 슬러리, 금속 입자 및 다른 잠재적인 오염물을 웨이퍼의 표면으로부터 제거하기 위해 웨이퍼를 세척한다.
CMP를 통한 평탄화에서 중요한 변수는 연마되는 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 물질을 제거하는 속도인 "제거속도(removal rate)"이다. 제거속도는 어떤 표면의 피크를 우선적으로 평탄화하고 최종 표면을 거의 완전하게 평면이 되도록 하는 것이 바람직하다. 제거속도에 영향을 미칠 수 있는 몇가지 요소가 있다. 예컨대, 슬러리의 성질은 극적인 영향을 미칠 수 있다. 슬러리는 반도체 웨이퍼 표면 상에 있는 패턴의 일정한 형상을 선택적으로 부드럽게 할 수 있는, 용매 속에 떠있는 연마입자를 포함하므로, 다른 부분들에 대해 그들 형상을 제거하는 상대속도에 영향을 미친다. 상기한 논문에서 나타낸 바와 같이, "슬러리의 목적은 단순하지만 내포된 모든 기계적 화학적 반응을 이해하고 모델화하는 것은 거의 불가능하다." 따라서 "시험 및 오류를 기반"으로 하여 CMP 공정의 개발이 이루어져 왔다.
현재 이용가능한 보다 진보된 CMP기기로 미국 아리조나 피닉스 소재, IPEC의 AvantGaard Model 776이 있다. 이 CMP장치에서, 하부의 헤드(연마패드를 포함)가 궤도운동을 하는 동안 웨이퍼를 지지하는 캐리어는 중심축 둘레를 회전한다. 연마유체(슬러리)는 연마패드를 통해 사용지점의 혼합물과 함께 웨이퍼에 직접 도입되고, 그에 따라 웨이퍼가 보다 균일하게 되고 슬러리의 소모가 감축되게 된다.
CMP에 있어서 연마와 평탄화를 보다 빠르게 하고, 웨이퍼 전체를 보다 균일하게 하며, 웨이퍼와 웨이퍼간에 나타나는 변화를 보다 향상시키기 위한 다양한 도전이 계속되고 있다. 패드와 캐리어의 연마 운동은 그 수명 이상으로 연마패드의 품질과 함께 CMP공정에 있어서 중요한 역할을 한다.
연마패드는 웨이퍼에서 웨이퍼로의 보다 균일한 연마속도를 제공하고 단일 웨이퍼에 대한 보다 나은 평탄화의 균일성을 제공하기 위해 사용의 기간 후에는 컨디셔닝(conditoning)되어야 한다. 패드의 컨디셔닝이 진행되는 동안 하부 연마면을 갖는 패드 컨디셔너 아암은 패드 상부면과 강제로 접촉되는 한편 패드는 진동하므로 컨디셔너 아암은 연마패드 외주의 피봇축 둘레를 원호형으로 전후로 이동한다. 패드의 컨디셔닝 중의 패드진동과 컨디셔너 아암 운동이 합해지는 결과로 패드표면의 제거가 불균일하게 되어 거칠어 진다. 아암의 원호형 피봇에 근접한 영역은 원호형 피봇으로부터 멀리 떨어져 있는 영역에서 보다 높은 속도로 컨디셔닝된다. 시간이 흐른 후에는 이 비균일한 패드의 컨디셔닝으로 인해 반도체 기판에 대한 연마의 균일성이 악화되게 된다.
반도체 제조업자는 시간이 지남에 따라 CMP공정이 개선되기를 지속적으로 요구해왔다. 반도체 장치가 보다 복잡해지고 기하학적 형상이 훨씬 소형화함에 따라 웨이퍼와 웨이퍼간, 웨이퍼 로트(lot)와 웨이퍼 로트간에 CMP제거속도를 보다 일관되게 하는 한편 웨이퍼의 전체 표면에 대해 연마결과를 보다 균일하게 할 필요가 존재하여 왔다. 게다가 CMP패드의 컨디셔닝을 보다 양호하고 균일하게 제공하기 위한 방법에 대한 필요성 또한 존재하여 왔다.
본 발명은 집적회로 제조기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 웨이퍼 등의 웨이퍼형 반도체 기판의 표면을 화학적 기계적 연마를 통해 평탄화하는 공정에 관한 것이다.
본 발명의 상술한 특징과 다른 많은 부가적인 이점은 축척에 의한 것이 아닌 개략의 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 보다 용이하게 이해 될 수 있으며 또한 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 장치의 바람직한 실시예의 부분 개략 측단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 부분 개략 측단면도.
도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 따라 궤도 플래튼에 진동운동을 부여하기 위해 필요한 장치의 사시도.
도 4는 궤도 플래튼에 진동운동을 제공하기 위한 도 3의 본 발명의 실시예의 기계적 제동부를 나타낸 부분 개략 분해도.
도 5는 웨이퍼 캐리어가 정지하거나 회전하는 연마패드에 대하여 진동운동과 궤도운동 또는 회전운동과 궤도운동을 모두 하도록 갖추어진 본 발명의 다른 실시예를 상세하게 보여주기 위한 부분 측단면도를 나타낸 개략도.
도 6은 웨이퍼가 반도체 기판의 표면을 가로질러 선형으로 미끄럼운동하는 연속벨트 연마패드와 접촉하는 동안 웨이퍼 캐리어가 궤도운동과 진동운동 또는 궤도운동과 회전운동을 하도록 갖추어진 본 발명의 다른 실시예를 상세하게 나타낸 부분 개략 측단면도.
도 7은 연마패드 컨디셔닝 공정을 설명하기 위한 개략도.
본 발명은 집적회로를 구비하는 웨이퍼 등의 반도체 기판의 표면으로부터 물질를 제거하는 속도의 균일성을 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 화학적 기계적 연마(CMP) 패드의 컨디셔닝을 보다 양호하고 균일하게 행하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 반도체 기판의 표면에 가해지는 연마운동 또는 연마패드에 가해지는 세정운동을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이들 운동은 회전, 궤도, 진동, 스위핑(sweeping) 및 선형운동의 조합으로부터 선택된다. 여기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 운동의 조합은 반도체 기판 표면연마의 경우에는 연마 플래튼과 웨이퍼 캐리어 운동의 변경을 통해, 그리고 연마패드의 컨디셔닝 중에는 연마패드와 컨디셔닝 표면의 운동의 변경을 통해 달성될 수 있다.
본 발명의 방법의 일실시예에 의하면 캐리어(이것은 중심축 둘레를 회전하거나 고정될 수 있음)에 유지된 웨이퍼는 그 중심축 둘레를 회전하거나 진동하는(즉,방향을 번갈아 적어도 부분적으로 회전시키는) 연마패드와 접촉하는 한편, 연마패드는 궤도축 둘레를 동시에 궤도를 그리며 돈다. 중심축 둘레를 시계방향과 반시계방향으로 회전하는 진동은 각 방향으로 360도 미만에서 360도 이상의 각도범위를 가질 수 있다. 중심축 둘레에 대한 연마패드의 연속회전은 반도체 웨이퍼의 표면특성을 향상시키기 위한 실시예에서도 적용될 수 있다. 웨이퍼 캐리어는 축 둘레를 회전 또는 진동하거나 고정될 수 있다. 패드와 연마될 웨이퍼 표면 사이에 침투가 허용되도록 패드 자체를 통해 또는 패드에의 분배를 통해 패드에 연마슬러리를 가한다. 반도체 웨이퍼 표면을 원하는 평탄도로 연마하기 위해 충분한 압력을 인가하면서 연마를 유지한다.
본 발명의 방법에 따르는 다른 실시예에 의하면, 캐리어에 유지된 웨이퍼는 웨이퍼 표면에 대해 선형으로 이동하는 연마패드와 접촉한다. 다른 쪽에 있는 웨이퍼 캐리어는 하나의 축 둘레를 궤도로 돌고, 첫번째 축으로부터 중심이 벗어나 있는(오프셋되어 있는) 두번째 축을 둘레로 진동한다. 이와 달리 연마축은 중심축 둘레를 회전할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 또한 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 반도체 웨이퍼 연마장치를 제공한다. 이 연마장치는 캐리어를 포함하며, 캐리어는 캐리어의 하부에서 연마될 웨이퍼의 배면과 캐리어의 하부로부터 이격되어 플래튼상에 지지되는 연마패드에 대하여 연마될 웨이퍼의 전면을 노출시키도록 적어도 하나의 반도체 웨이퍼를 견고하게 유지하기에 적합하다. 그러나 당해 분야의 기술자라면 이 연마장치를 캐리어가 플래튼의 하부에 있도록 배향시킬 수 있다. 연마장치는 플래튼에 궤도운동을 부여하는 기계적 수단을 포함한다. 이러한 수단의 예로 플래튼과, 원통형 슬리브의 상부에 고정 장착되고, 그 상부와 하부가 서로 오프셋된 중심축을 가지며, 플래튼 하부로 수직으로 연장되는 상부 베어링을 갖는 한쌍의 스택형 회전베어링을 포함할 수 있다. 하부 베어링은 원통형 슬리브와 장치의 하우징의 하부에 장착되므로, 베어링의 회전축이 오프셋된다. 구동모터는 슬리브를 회전시킴으로써 플래튼이 궤도축 둘레를 궤도운동하게 한다. 본 발명의 장치는 연마패드를 지지하는 플래튼에 결합된 제 1 단부와 샤프트에 회전운동 또는 진동운동을 부여하는 수단에 결합된 제 2 단부를 포함한다. 이들 수단은 예를 들면 샤프트를 회전시키기 위한 기어박스를 갖는 구동모터와, 모터의 회전출력의 정도를 제어하기 위한 모터 콘트롤러를 포함한다. 이와 달리 기계적 제동수단이 샤프트의 회전원호를 제한할 수 있으며, 전기적 제동부는 제동되었을 때 샤프트의 진동운동을 반전시킬 수 있다. 샤프트의 회전이나 진동을 제어하기 위한 다른 기계적 장치가 유용하다는 것은 분명하다. 웨이퍼 캐리어는 적절한 수단에 의해 그 축둘레를 회전하거나 진동 또는 고정된 채 있을 수 있다.
본 발명은 또한 회전하거나 고정된 캐리어에 유지된 반도체 기판과 패드가 접촉하는 동안, 웨이퍼 캐리어가 궤도운동, 회전운동 또는 궤도 및 진동운동하는 장치를 제공한다. 이 장치에 따르면 캐리어에 궤도운동과 회전운동 또는 진동운동을 부여하는 기계적 수단은 이러한 운동을 플래튼에 부여하는 상술한 장치에 대응한다. 이 실시예에 따르면 연마패드를 유지하는 플래튼은 전기모터에 의해 제어된 속도로 회전하거나 정지된 상태를 유지할 수 있는 중심 샤프트를 구비한다. 따라서웨이퍼 캐리어에 유지된 기판은 (1)궤도 및 회전(플래튼 고정), (2)궤도, 회전, 및 스위핑(sweeping)(플래튼 회전), (3)궤도 및 진동(플래튼 고정), (4)궤도, 진동, 및 스위핑(플래튼 회전)의 4개 유형의 연마운동의 변경에 의해 잠재적으로 처리되는 표면을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 패드는 한쌍의 롤러위에 장착된 연속벨트이며, 웨이퍼 캐리어에 유지된 반도체 기판에 대하여 벨트 패드를 누르도록 허용하는 보강 미끄럼판을 구비한다. 이 실시예에서는 웨이퍼 캐리어가 궤도운동과, 진동운동이나 회전운동을 발생시킬 수 있다. 따라서 연속벨트가 선형으로 구동되면 반도체 기판의 표면은 다음의 두 연마운동 중의 하나에 놓여지게 된다. (1)궤도운동과 선형운동의 조합, (2)궤도, 회전 및 선형 연마운동의 조합.
본 발명의 장치를 이용하고, 본 발명의 방법을 적용하면, 본 발명의 회전운동이나 진동운동없이 연마된 웨이퍼보다 전표면적에 걸쳐 보다 평탄한 반도체 웨이퍼가 제조된다. 본 발명의 방법과 장치의 제거속도는 웨이퍼 전체에 걸쳐 보다 균일하다.
본 발명은 또한 패드의 적어도 부분적인 회전운동과 그와 동시의 궤도운동을 통해 패드 컨디셔닝을 향상시키는 방법을 제공한다. 보통 전술한 바와 같이, 종래기술의 패드 컨디셔닝 공정에서는 연마 하부면을 갖는 패드 컨디셔너가 패드가 진동되는 동안 패드 상부면과 접촉하고, 컨디셔너 아암은 연마패드 외주의 외부의 피봇축 둘레에서 원호상으로 전후진 운동한다. 컨디셔닝중에 패드진동과 컨디셔닝 아암운동의 조합으로 인해 패드표면이 비균일하게 제거되고 거칠어 진다. 시간이 지나면 이 비균일한 패드 컨디셔닝으로 인해 반도체 웨이퍼 상의 연마 균일성이 악화된다. 본 발명에 따르면, 패드의 회전이나 진동은 종래기술에서 통상적으로 낮은 컨디셔닝 영역을 보다 높은 컨디셔닝 영역으로 이동시키고, 높은 컨디셔닝 영역을 낮은 컨디셔닝 영역으로 이동시켜 컨디셔닝 공정을 상당히 향상시킨다. 따라서 본 발명을 통해 패드에 대해 균일한 컨디셔닝을 달성할 수 있다.
"궤도운동 화학적-기계적 연마장치와 그 제조방법"이란 명칭의 미국특허 제5,554,064호는 궤도의 화학적-기계적 연마장치를 발표하고 있으며 참고로 여기에 포함시킨다. 본 발명의 장치는 이 장치의 연마패드에 추가의 운동유형, 즉 바람직한 실시예에서 그의 연마패드를 갖는 플래튼을 시계방향과 반시계방향으로 번갈아 회전시킴으로써 달성되는 진동운동 또는 회전운동을 추가한 것이다. 연마패드를 갖는 플래튼의 이들 회전이나 진동은 CMP중에 궤도운동만을 사용하여 얻어진 표면에 비해 연마변형을 줄임으로써 연마된 웨이퍼 표면을 향상시킬 수 있다.
도 1의 본 발명의 장치의 바람직한 실시예를 참조하면, 연마장치는 프레임(100)을 포함하며, 이 프레임(100)에 연마패드(104)를 구비한 플래튼(102)이 장착된다.
연마장치는 플래튼(102)의 하부에 고정장착되는 상부 회전베어링(106)과, 플래튼(102) 하부에서 하향 연장하는 원통형 슬리브(111)를 포함하는 회전가능한 파형생성기(110)를 포함한다. 파형 생성기(110)의 상부 회전베어링(106)의 제 1 중심축(Co)은 하부 회전베어링(108)의 제 2 중심축(Cc)으로부터 오프셋 되어 있다. 하부 회전베어링(108)은 슬리브(111)의 하부와 연마장치의 지지 프레임(100)에 고정 장착된다. 따라서 파형 생성기(110)가 회전운동하면 제 1 중심축(Co)은 파형 생성기(110)의 회전속도와 같은 속도로 하부 회전베어링(108)의 제 2 중심축(Cc) 둘레를 궤도운동한다. 상부 회전베어링(106)의 제 1 중심축(Co)의 궤도반경은 제 1 중심축(Co)과 제 2 중심축(Cc) 사이의 평행 오프셋과 같다. 이로 인해 플래튼(102)과 패드(104)가 궤도운동을 하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회전운동은 슬리브(111)를 둘러싸고 구동모터(116)에 결합된 풀리(114)를 통해 연장되는 구동벨트(112)에 의해 파형 생성기(110)에 전해진다. 궤도운동에 대한 보다 상세한 설명은 참고로 본 명세서에 포함시킨 미국특허 제5,554,064호에서 찾아 볼 수 있다.
본 발명에 따르면 샤프트(118)는 플래튼(102)의 하부로부터 연장되며, 거기에서 샤프트(118)는 파형 생성기(110)의 슬리브(111)의 원통형 공간을 통해 아래를 향하게, 회전운동 또는 진동운동을 플래튼(102)에 전달하기 위한 메커니즘에 고정 부착된다. 샤프트(118)는 플래튼(102)의 하부에 고정부착된 상부 베어링대(120)를 포함한다. 베어링대(120)로부터 하향 연장되면서, 샤프트는 상부 유니버셜 조인트(122a)와, 상부 유니버셜 조인트(122b)로부터 이격된 하부 유니버셜 조인트(122b)를 포함한다. 본 발명의 회전운동 또는 진동운동을 부여하기 위해 사용될 수 있는 다양한 메커니즘에 대해서는 본 명세서를 읽어 본 당해 분야의 기술자라면 명확히 알 수 있다. 도 1의 바람직한 실시예에서, 구동 샤프트(124)는 그 한쪽 단부는 하부 유니버셜 조인트(122b)에 결합되고, 다른 쪽 단부는 기어박스(126)에 결합된다. 구동 샤프트(124)의 축은 하부 회전베어링의 제 2 중심축(Cc)의 회전축과 동일하다. 기어박스는 모터 콘트롤러(138)에 의해 제어되는 스텝모터(136)에 의해 구동된다. 모터 콘트롤러는 스텝모터에 의해 샤프트(124)에 전해지는 회전의 정도를 제어한다. 따라서 모터 콘트롤러를 조정함으로써 진동운동에 대하여 약 -360도에서 +360도의 범위 내에서 원호형상이 변화될 수 있다. 회전운동에 대하여 모터는 연속으로 샤프트(124)를 회전시킬 수 있으므로 패드(104)를 연속하여 회전시킬 수 있다.
패드(104)에 진동운동(부분 회전운동) 또는 회전운동을 부여하기 위해 다른 메커니즘이 또한 이용될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는 기계적 전기적 제동부들과 구동모터의 조합에 의해 진동운동이 생성되며, 그에 따라 샤프트가 기계적 제동부에 의해 한정되는 시계방향과 반시계방향으로 번갈아 움직이게 된다. 이와 같이, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 실질적으로 수직의 구동샤프트(124)는 하부의 유니버셜 조인트(122b) 하부로부터 하향 연장되어 경질의 제동박스(140)에 결합된다. 도시된 바와 같이, 샤프트(124)는 샤프트(124)가 회전할 때 서라운딩 캡(142)의 내부에서 원호를 그리면서 움직이는, 반경방향으로 배치된 방사상의 레그(128)를 구비한다. 샤프트(124)의 회전을 제한하기 위해 하나 이상의 기계적 제동부가 서라운딩 캡(142)의 내부에 배치되어 방사상의 레그의 운동을 차단함으로써 샤프트의 회전운동을 정지시킨다. 기계적 제동부(130)의 각 측면의 외부에는 방사상의 레그(128)가 기계적 제동부에 의해 정지되기 전에 전기적 제동부와 만나도록 한쌍의 전기적 센서 또는 제동부(도시 생략)가 배치된다.
회전운동을 부여할 수 있는 모터(136)는 또한 이 연마장치의 지지 플레임(100)에 장착되며, 기어박스(126)에 기계적으로 결합된다. 따라서 기어박스를 통해 모터(136)는 구동 샤프트(124)를 회전시켜 샤프트(118)를 반시계방향으로회전시키므로 샤프트(124)의 레그(128)가 기계적 제동부(130)에 의해 정지될 때까지 플래튼이 동일한 방향으로 회전하게 된다. 그리고 전기적 센서(132)와의 전기적 접촉에 때문에 회전방향은 시계방향으로 반전된다. 샤프트(118)와 플래튼(102)은 다시 구동 샤프트(124)의 레그(128)가 기계적 제동부(130)에 의해 제동이 걸릴 때까지 시계방향으로 회전한다. 그리고 상술한 바와 같이, 다른 전기적 제동부(132)와의 접촉으로 회전운동이 반전된다. 따라서 연마장치는 기계적 제동부의 위치에 의해 결정되는 원호형상의 시계방향과 반시계방향의 진동운동을 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연마패드는 적어도 부분적인 회전운동과 궤도운동을 동시에 행하게 된다. 완전한 회전운동 중에는 연마패드를 통해 연마 슬러리가 공급되는 이들 연마장치에 있어서는 슬러리 공급라인(및 다른 공급라인)이 회전 가능한 커플링과 함께 공급되어야 하므로 공급라인들이 샤프트 주위에서 꼬이게 되면 안된다. 공급라인이 충분한 길이를 갖는 한, 부분 회전운동이나 궤도운동중에 이러한 회전 커플링이 필요하지는 않다는 것은 명백할 것이다.
표준 8인치 및 12인치 웨이퍼를 연마하기 위해 개발된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 플래튼과 패드는 패드의 중심 궤적이 웨이퍼 직경의 약 1/2 내지 약 0.1인치의 원을 그리도록 궤도운동을 하며, 바람직한 궤도직경은 1.25인치이다. 캐리어 궤도의 중심은 플래튼 궤도의 중심으로부터 약 0 내지 1인치 벗어나(오프셋되어) 있으며, 바람직한 범위는 약 3/8인치이다.
통상적으로 본 발명에 따르면, 패드와 플래튼의 궤도는 적어도 분당 300회전, 보다 바람직하게는 분당 300~600회전의 속도로 이루어지나 그 범위는 분당 약200~600회전 정도일 수도 있다. 웨이퍼 캐리어(150)는 그 축둘레를 회전하거나 진동할 수 있지만, 고정될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 연마패드는 각 연마사이클 동안에 정수배로 회전하거나 진동하는 것이 바람직하다. 연마사이클의 지속기간은 수개의 요인에 의해 결정되고 통상적으로는 약 1~4분의 범위 내에서 변한다. 연마 사이클당 약1회~6회의 완전진동이 이루어지는 것이 바람직하다.
연마패드(104)가 회전하거나 진동하는 것에 의해 원호가 변화할 수 있지만 연속으로 진동하는 것이 바람직하다. 약 -180도(반시계 방향) 내지 약 +180도(시계방향)의 범위에서 진동할 수 있는 것이 바람직하다. 약 -135도 내지 +135도 범위에서의 진동운동이 유용하지만 그 이상 또는 그 이하의 범위에서도 또한 유용하다.
본 발명의 상술한 실시예에서, 연마되는 반도체 기판의 표면은 연마장치의 동작모드에 따라 수종류의 운동을 조합하여 처리될 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있다. 예컨대, 플래튼이 궤도운동과 진동운동을 하면 웨이퍼 표면은 궤도, 회전 및 진동 연마운동으로 처리되는 것이다. 한편 웨이퍼 캐리어가 회전하는 동안 플래튼이 궤도운동과 회전운동을 하면, 웨이퍼 표면은 2종류의 회전 연마운동과 함께 궤도 연마운동으로 처리되게 된다. 웨이퍼 캐리어가 정지되어 있으면, 연마장치의 운동모드에 따라 웨이퍼 표면은 궤도 및 회전 연마운동 또는 궤도 및 진동 연마운동으로 처리되게 된다. 본 명세서에서 관용적으로 사용되는 용어 "진동 연마운동"은 웨이퍼 표면 상의 궤적에 의해 그려지는(또는 추적되는) 실제의 운동이 아니라 디바이스(캐리어 또는 플래튼)의 운동을 말하며, "선형 연마운동", "회전 연마운동","스위핑 연마운동" 및 "궤도 연마운동" 등도 동일하게 적용된다.
당해 분야의 기술자라면 본 명세서를 통해 캐리어와 플래튼의 운동모드가 반전될 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있다. 즉 웨이퍼 캐리어는 궤도운동, 및 다른 진동운동이나 회전운동을 생성할 수 있는 기계적 수단을 구비할 수 있고, 플래튼은 정지상태를 유지하거나 회전할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 도 5에 예시된 실시예를 통해 연마운동의 "반전"을 실행하기 위한 장치를 제공할 수 있다. 이 장치의 많은 구성요소는 상술한 실시예의 구성요소와 동일하기 때문에 동일한 구성요소에 대해서는 설명의 간략화를 위해 동일한 번호를 사용한다. 이 예에서, 웨이퍼 캐리어(150)는, 서로 수직으로 이격되어 그 회전의 중심이 오프셋되어 있는 2개의 베어링(106, 108)으로 구성된다는 점에서 상술한 파형 생성기와 유사한 파형 생성기(110)와 링크되어 있다. 하부 베어링(108)은 지지구조(156)에 의해 차례로 지지되는 하우징(154) 등의 지지구조에 장치된다. 파형 생성기의 일단에는 바람직하게는 속도제어 가능의 전기모터(116)의 구동풀리(114) 너머로 연결되는 벨트(112)에 의해 구동되는 원통형 슬리브(111)가 구비된다. 중앙의 샤프트(118)는 파형생성기의 원통형 내외면 사이에서 연장되며, 그 하단부에 있는 베어링대(120)는 웨이퍼 캐리어(150)의 상면에 장착된다. 샤프트(118)는 그 양단의 일단부에 적어도 2개의 유니버셜 조인트(122a, 122b)를 구비하며, 모터 콘트롤러(138)에 의해 차례로 제어되는 모터(136)에 의해 기어박스(126)를 통해 구동된다. 따라서 웨이퍼 캐리어(150)에 궤도운동 및 회전운동 또는 진동운동을 전달하는 이 장치는 상기 운동을 연마패드 플래튼에 전달하는 상술한 장치와 유사하다.
이 예에서, 웨이퍼 캐리어(150)는 그것이 웨이퍼(152)를 포함하면, 플래튼(166)상에 지지되며, 회전하는 것이거나 정지된 것일 수 있는 패드(160)와 접촉한다. 플래튼이 회전하면, 패드는 "스위핑운동(sweepin motion)"으로 연마되는 웨이퍼의 표면을 가로질러 원호를 그리며 운동(sweep)한다. 동시에 상술한 장치의 동작은 그 중심축 둘레의 캐리어의 완전한 회전 또는 진동운동과 함께 궤도운동을 웨이퍼 캐리어(및 웨이퍼에 까지)에 전달한다. 따라서 이 장치는 웨이퍼 표면에 대하여, 수개의 변경가능한 연마운동 즉, (1)궤도 연마운동, 회전 연마운동 및 스위핑 연마운동, (2)궤도 연마운동, 진동 연마운동 및 스위핑 연마운동, (3)궤도 연마운동 및 진동 연마운동, (4)궤도 연마운동 및 회전 연마운동을 제공한다.
도 6의 실시예는 상술한 본 발명의 또 다른 변형예를 제공한다. 이 예에서, 연마패드는 2개의 롤러(162a, 162b)를 연결하는 연속 벨트(160)의 형태를 갖는다. 따라서 연마패드는 제어된 속도로 웨이퍼 캐리어(150)에 대해 선형으로 이동한다. 바람직하게는 연마패드는 초당 약100~200cm의 속도로 이동한다. 연마패드는 이동하는 연속벨트 패드(160)가 반대 쪽으로 휘지 않을 정도로 패드에 대하여 웨이퍼 표면을 누르고 패드를 지지하도록 장착된 강성의 보강 미끄럼판(164)에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 본 발명의 이 실시예에 따르면 연마될 웨이퍼 표면은 회전 연마운동, 궤도 연마운동 및 선형 연마운동으로 처리되거나, 또는 궤도 연마운동, 진동 연마운동, 및 선형 연마운동으로 처리되거나, 또는 궤도 연마운동 및 진동 연마운동으로 처리되거나, 또는 궤도 연마운동 및 회전 연마운동으로 처리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 패드 컨디셔닝이 또한 실질적으로 향상되거나 개선된다.도 7에 도시된 바와 같이, 연마패드(200)는 연마 컨디셔닝면를 구비하고 점(202)을 중심으로 피봇운동하는 컨디셔닝 아암(204)에 의해 컨디셔닝된다. 종래의 기술에서는 원호상의 아암의 운동과 패드가 운동할 때 패드의 운동의 결과로서 아암이 피봇지점으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 위치에서는 낮은 컨디셔닝 영역(208)이 생기고, 연마패드 상의 아암의 피봇지점에 가장 가까운 위치에서는 높은 컨디셔닝 영역(210)이 생긴다. 더욱이, 종래기술에서는 2개 부분의 컨디셔닝 되지 않는 부분(206)이 생긴다. 본 발명에 따르면 전체 패드가 더욱 고르게 컨디셔닝된다. 연마패드의 진동 또는 회전 때문에, 컨디셔닝을 저하시킬 수 있는 이들 영역은 패드 컨디셔너 아암 피봇에 보다 근접한 위치로 회전시키고, 보다 높은 컨디셔닝이 이루어진다. 물론 이와 유사하게, 이미 높은 컨디셔닝을 갖는 이들 영역은 낮은 컨디셔닝을 갖는 구역으로 회전된다. 따라서 평균적으로 패드의 각 영역은 동일한 평균 컨디셔닝으로 처리될 수 있다. 따라서 더욱 균일한 패드 컨디셔닝이 달성된다.
당해 분야의 기술자라면, 각각의 운동을 조합하여 원하는 결과를 내도록 실현할 수 있다. 본 발명은 연마될 웨이퍼의 표면 상에서 연마운동의 변경범위를 선택할 수 있는 방법과 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명은 특정 요구조건에 부합하도록 연마를 주문할 수 있으며, 최선의 결과를 달성하기 위해 작업자가 연마운동의 조합을 선택할 수 있는 상당히 추가된 유연성을 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 연마패드와 연마입자를 갖는 슬러리의 관점에서 설명한 점에 주목할 필요가 있다. 본 발명은 슬러리 없는 패드에서도 동일하게 작용할 것이며, 슬러리 없는 패드에서는 연마제를 패드에 넣는다. 이러한 패드는 3M 제품으로부터 상용으로 구입할 수있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 예시 및 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 본 실시예에 대한 다양한 변경이 행해질 수도 있다는 것을 고려해야 한다.
배타적인 특성 또는 권리를 청구하고 있는 본 발명의 실시예는 다음의 청구범위에 기재되어 있는 바와 같다.

Claims (38)

  1. 웨이퍼의 표면을 3종류의 연마운동에 의해 동시에 실행하는 단계를 포함하며, 상기 3종류의 연마운동은 회전 연마운동, 진동 연마운동, 스위핑 연마운동 및 선형 연마운동으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 2이상의 연마운동과, 궤도 연마운동을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 연마운동은 연마사이클당 1~6 사이클의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 연마운동은 연마사이클당 1~6 사이클의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 연마운동은 적어도 360의 회전운동을 번갈아 하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 궤도 연마운동은 1분당 200회전 이상의 속도로 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 연마운동은 200cmm/sec의 속도로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위핑 연마운동은 분당 1사이클 내지 4사이클의 속도로 회전하는 것에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
  8. 반도체 기판상에 형성된 박막을 연마하는 방법에 있어서,
    (a)연마패드에 적어도 부분적인 회전운동과 궤도운동을 동시에 부여하는 단계와,
    (b)연마 슬러리의 도움과 함께 운동하는 연마패드의 표면에 의해 상기 기판의 박막을 연마하는 단계와,
    (c)상기 반도체 기판이 연마되도록 패드와 기판 사이에 충분한 압력을 가하면서 연마를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    적어도 부분적인 회전운동을 부여하는 단계는 연마사이클당 1사이클 내지 4사이클 범위의 운동 사이클을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적인 회전운동은 분당 1 내지 4회전의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 궤도운동을 부여하는 단계는 분당 200 내지 2,000회전 범위의 속도로 궤도운동을 부여하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 연마단계는 연마 사이클당 정수배로 패드를 적어도 부분적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    적어도 부분적으로 회전운동을 부여하는 단계는 패드의 중심을 둘레로 -270도 내지 270도로 진동시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    적어도 부분 회전운동을 부여하는 단계는 패드의 중심을 둘레로 360도 이상 패드를 회전시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  15. 반도체 기판상에 형성된 박막을 연마하는 방법에 있어서,
    (a)웨이퍼의 중심축으로터 변위되어 있는 궤도축을 중심으로 웨이퍼가 궤도운동하는 동안 상기 중심축을 중심으로 반도체 기판을 지지하고 있는 웨이퍼 캐리어를 적어도 부분적으로 회전시키는 단계와,
    (b)패드와 기판 사이에 충분한 압력을 가하면서 연마슬러리의 도움으로 연마패드면에 대해 기판의 박막을 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 회전시키는 단계는 연마사이클당 정수배로 캐리어를 진동시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 궤도운동은 분당 200 내지 2,000회전 범위의 속도로 궤도운동하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 회전시키는 단계는 360도 이상으로 캐리어를 회전시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적인 회전은 1분당 1회전 내지 4회전의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    연마패드에 대한 상기 연마단계는 선형으로 운동하는 연속 연마패드의 표면에 대해 연마하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    연마패드에 대한 상기 연마단계는 100cm/sec 내지 200cm/sec의 속도로 선형운동으로 패드에 대하여 연마하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    연마패드에 대한 상기 연마단계는 회전 연마패드에 대하여 연마하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  23. 반도체 기판의 표면을 연마하기 위한 장치에 있어서,
    (a)연마될 기판의 전면이 노출되도록 적어도 하나의 반도체 기판의 배면을 견고하게 유지하는데 적합한 회전가능한 캐리어와,
    (b)상기 캐리어로부터 이격되어 있는 플래튼 상에 지지되는 연마패드와,
    (c)상기 플래튼에 궤도운동을 부여하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 궤도운동 부여수단은,
    (i)거기에 장착된 한쌍의 회전베어링을 구비하되, 회전베어링의 쌍 중 상기 플래튼과 슬리브에 장착된 제 1 베어링은 슬리브와 지지 프레임에 장착된 제 2 베어링의 중심축으로부터 오프셋 되어 있는 중심축을 갖는 슬리브와, 상기 슬리브를 회전시키기 위한 구동모터를 구비하고,
    (ii)또한, 연마패드를 지지하는 플래튼의 반대쪽에 장착된 제 1 단부와, 자신과 플래튼을 적어도 부분적으로 회전시키기 위한 수단에 결합된 제 2 단부를 구비하는 슬리브의 원통형의 공간으로 연장되는 샤프트를 포함하는 것에 의해,
    연마중에 상기 패드는 캐리어가 회전하는 동안 압력하에 캐리어 내의 웨이퍼와접촉하며, 중심축 둘레를 적어도 부분적으로 회전시키고 그 중심축으로부터 오프셋된 궤도축 둘레를 궤도운동하도록 하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 샤프트를 적어도 부분적으로 회전시키기 위한 수단은 기어박스에 결합되어 기어박스를 구동시키는 모터와, 상기 모터가 샤프트의 각회전의 정도를 제어하도록 하는 모터 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 샤프트를 적어도 부분적으로 회전시키기 위한 수단은 기어박스에 결합되어 기어박스를 구동시키는 모터와, 기어박스로부터 원통형 공간내의 샤프트까지 적어도 부분적인 회전운동을 전환시키는 제동제한 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  26. 패드가 패드의 중심축으로부터 오프셋된 축둘레를 궤도운동하도록 하는 기계적 수단에 부착되는 플래튼에 장착되고, 웨이퍼용 캐리어를 회전시키도록 구동모터에 결합된 상기 캐리어로부터 이격져 있는 패드와, 상기 패드에 대하여 캐리어의 웨이퍼를 강제로 눌러주는 수단을 포함하는, 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위한 반도체 웨이퍼 연마장치에 있어서,
    상기 플래튼과 구동모터에 결합되며, 반도체 웨이퍼가 연마될 때, 그리고 패드가 궤도운동을 하는 동안, 상기 플래튼을 적어도 부분적으로 회전시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 플래튼을 적어도 부분적으로 회전시키는 수단은 패드를 지지하는 플래튼의 반대쪽에 장착된 제 1 단부와, 상기 샤프트를 시계방향과 반시계 방향으로 적어도 부분적으로 회전시키는 모터구동 기어박스에 유니버셜 조인트를 통해 결합된 제 2 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 회전시키는 수단은 기어박스를 통해 모터에 결합되는 샤프트의 다른 단부와 함께 패드를 지지하는 플래튼의 반대쪽의 제 1 단부에 장착된 샤프트를 포함하며, 상기 모터는 상기 샤프트의 각회전을 제어하는 콘트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  29. 반도체 기판의 표면을 연마하기 위한 연마장치에 있어서,
    (a)보강부재에 의해 지지되는 연마패드와,
    (b)상기 연마패드를 향하는 캐리어의 측에서 연마될 기판의 전면이 노출되도록 적어도 하나의 반도체 기판을 견고하게 유지시키기에 적합하고, 상기 연마패드로부터 이격져 있는 웨이퍼 캐리어와,
    (c)상기 캐리어에 궤도운동을 부여하기 위한 것으로서, 거기에 장착된 한쌍의 회전베어링을 구비하되, 회전베어링의 쌍 중 상기 플래튼과 슬리브에 장착된 제 1 베어링은 슬리브와 지지 프레임에 장착된 제 2 베어링의 중심축으로부터 오프셋 되어 있는 중심축을 갖는 슬리브와, 상기 슬리브를 회전시키기 위한 구동모터를 구비하는 궤도운동 부여수단과,
    (d)웨이퍼가 이동하는 측에 반대되는 캐리어의 면에 장착된 제 1 단부와, 상기 샤프트와 캐리어를 적어도 부분적으로 회전시키는 수단에 결합된 제 2 단부를 구비하는 슬리브의 원통형의 공간으로 연장되는 샤프트를 포함하는 것에 의해,
    연마중에 상기 패드는 캐리어가 중심축 둘레를 적어도 부분적으로 회전하는 동안 압력하에 캐리어 내의 웨이퍼와 접촉하며, 그 중심축으로부터 오프셋된 궤도축 둘레를 궤도운동하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 샤프트를 적어도 부분적으로 회전시키기 위한 수단은 기어박스에 결합되어 기어박스를 구동시키는 모터와, 상기 모터가 샤프트의 각회전의 정도를 제어하도록 하는 모터 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 샤프트를 적어도 부분적으로 회전시키기 위한 수단은 기어박스에 결합되어 기어박스를 구동시키는 모터와, 기어박스로부터 원통형 공간내의 샤프트까지 적어도 부분적인 회전운동을 전환시키는 제동제한 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 연마패드는 상기 웨이퍼 캐리어에 대한 패드의 선형운동을 제공하기 위한 수단에 의해 구동되는 연속 벨트 연마패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 연마패드는 회전가능한 플래튼에 장착되는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  34. 제 29 항에 있어서,
    상기 연마패드는 연속의 선형 구동 연마벨트로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  35. 화학적 기계적 연마에 의해 반도체 웨이퍼를 평탄화하는 장치의 연마패드를 컨디셔닝하는 방법에 있어서,
    패드를 컨디셔닝하는 동안 패드에 대해 적어도 부분적인 회전운동과 궤도운동을 동시에 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 적어도 부분 회전운동은 -360도 내지 +360도의 범위의 진동운동인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 적어도 부분 회전운동은 1분당 1회전 내지 4회전의 속도로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 궤도운동은 1분당 200회전 내지 2,000회전의 속도로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
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