KR20020074335A - 기계화학적 평탄화 장비의 패드 콘디셔너 해드 측정장치 - Google Patents

기계화학적 평탄화 장비의 패드 콘디셔너 해드 측정장치 Download PDF

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Abstract

CMP(chemical mechanical polishing) 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치가 개시된다. 이 장치는 수직하게 형성되는, CMP(chemical mechanical polishing) 장비 플래튼의 외주면과 접하도록 형성된 기준면을 일 단으로 수평하게 형성되는 제1 수평부재, 제1 수평 부재 위쪽에 일정 거리 이격되도록 수평으로 형성되며, 상기 기준면을 수직하게 확장할 때 만나는 위치에 기준 눈금을 가지는 제2 수평부재 및 제1 수평부재와 제2 수평부재를 연결하여 상대적으로 고정시키는 연결부재를 구비하여 이루어진다.

Description

기계화학적 평탄화 장비의 패드 콘디셔너 해드 측정장치{CALIBRATION APPARATUS FOR HEAD OF PAD CONDITIONER IN CMP MACHINE}
본 발명은 기계화학적 평탄화(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 장비(이하 CMP 장비라 한다)와 관련된 측정장치(Calibration apparatus)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 CMP 장비의 패드 콘디셔너 해드(pad conditioner head)의 위치 측정장치에 관한 것이다.
반도체 장치 제조 과정에서 굴곡진 표면을 덮어 단차를 완화시키는 막을 형성하고, 막 상면을 일정 량 제거하는 경우, 상감 기법(damasin)으로 콘택 플러그와 배선을 형성하는 경우 등에 사용하기 위해 CMP 공정을 사용하는 경우가 많다.
CMP 공정은 기계적인 방법과 화학적인 작용을 가미하여 기판의 표면 물질을 제거하는 공정이다. 이때, 기계적인 방법은 기판과 표면에 일정 거칠기를 가지는 패드를 접촉시키고 상대적으로 움직이게 함으로써 마찰을 일으키는 것이며, 화학적인 방법은 가령, 실리콘 산화막을 제거하는 경우 슬러리(slury)라는 화학물질 용액을 패드와 기판 사이에 투입하여 기판의 실리콘 산화막과 슬러리가 반응하게 하는 것이다. CMP 공정에서는 기계적인 방법과 화학적인 방법이 모두 사용되므로 막 제거의 효율을 높일 수 있고, 또한 화학적인 작용이 가미되어 제거되는 막질의 대상 선택성을 가질 수 있다.
고도로 정밀한 반도체 장치의 제조에서 CMP가 사용되는 것은 CMP 공정을 통한 막 제거가 정밀하게 조절될 수 있기 때문에 가능해진다. 막 제거를 정밀하게 하기 위해, 기판에 닿는 패드의 표면 거칠기와 전체적 탄력, 기판과 패드 사이의 접촉 압력이 적절해야 한다. 또한, 패드를 통해 슬러리가 기판면에 적절하고 고르게 배분되어야 한다. 이런 조건을 맞추기 위해 패드는 매우 정밀하게 제작되며, 일정 기간 사용하여 공정에 적합한 조건에서 벗어나게 되면 교체되어야 한다. 따라서 패드는 고가의 소모품으로 빈번한 교체는 공정의 비용을 늘리는 요인이 된다.
결국, CMP 공정을 실시하는 CMP 장비에서 공정 중에 패드 상태를 항상 일정하게 유지할 수 있도록 관리가 필요하며, 패드의 적정 상태가 오래 유지될 수 있도록 관리가 필요하다. 그리고, 이러한 패드의 관리를 위해 CMP 장비에서 사용되는 것으로 패드 콘디셔너(pad conditioner)가 있다. 패드 콘디셔너는 자체에 설치된 다이아몬드 디스크(diamond disk)를 이용하여 평탄화 식각 작업(polishing)에서 발생하는 패드의 불규칙적인 마모부를 고르게 하고, 패드 표면의 과잉 슬러리 제거한다. 또한, 패드의 표면을 일정한 거칠기를 가지도록 거칠게 다듬어준다. 따라서, 패드의 형태 구성의 항상성을 유지시키고, 패드 수명을 연장시키며, 패드를 통해 공정중에 슬러리가 일정하게 패드 위에 분배되도록 하는 역할을 한다.
도1은 통상의 CMP 장비의 구성을 평면적으로 나타내는 개략적 도면이다.
도1에 따르면, CMP 장비의 작업 평면은 몇 개의 구역으로 나뉘어 있다. P1,P2,P3의 커다란 원으로 표시되는 것이 패드(11) 설치 공간이다. 패드(11)는 플래튼이라는 원판형 구조체 위에 놓여있다. 작업 평면의 각 패드(11) 설치 공간에서 작업 평면의 각 모서리에 해당하는 위치에는 슬러리 아암(13)과 패드 콘디셔너(15)가 설치되어 있다. 각각의 패드(11) 설치 공간을 이루는 원의 중심을 기준으로 슬러리 아암(13)과 패드 콘디션너(15)가 설치된 모서리의 반대편에는 웨이퍼(17)를 고정하여 패드(11)에 접촉시키는 각각의 웨이퍼 해드(19)가 표시되어 있다. 공정 중에 패드(11)를 장착한 플래튼과 웨이퍼(17)를 고정시키는 웨이퍼 해드(19)는 각각 회전하여 접촉된 상태의 패드(11)와 웨이퍼(17)를 상대적으로 평면이동시켜 마찰에 의한 식각이 일어나도록 한다.
웨이퍼 해드(19)가 존재하지 않는 모서리쪽 공간에서 슬러리 아암(13)은 공정에 사용되는 슬러리액을 공급한다. 또한, 패드 콘디셔너(15)는 최초에 대기 위치인 클린 컵(clean cup)에 있다가 공정이 시작되면 콘디셔너 해드(21)의 중심과 플래튼의 중심이 일정 거리 범위를 가지도록 일정 각도범위 내에서 좌우로 회전이동하면서(sweeping) 콘디셔너 해드(21)가 접촉되는 패드(11)면을 일정 상태를 유지하도록 조절하여 준다.
그런데, 패드 콘디셔너(15)가 패드(11) 거칠기를 적절히 조절하고, 패드(11) 형태를 CMP 작업에 적합하도록 편평하게 유지하기 위해서는 콘디셔너 해드(21)가 이동할 때 규정된 범위를 유지해야 한다. 즉, 규정된 범위를 이탈하면 패드(11)에서 세정되지 않아 거칠기가 다르거나, 평면상 단차가 있는 부분이 생길 수 있다. 그리고, 이 부분이 웨이퍼 해드(19)에 장착된 웨이퍼(17)와 만나면 CMP 공정에서 기판 전체에 걸쳐 마모 두께를 일정하게 유지할 수 없게 된다. 결국, 웨이퍼(17) 일부에서 형성된 칩의 불량이 발생할 수 있다.
그리고, 처음에 콘디셔너 해드(21)의 이동 범위가 잘 정의된 장비에서도 공정이 진행됨에 따라 고정 나사 조임이 풀리거나, 기계적 변형이 생길 수 있다. 따라서 CMP 장비에서 패드 콘디셔너 해드(21)의 기준 위치를 수시로 측정하고 교정하는 것이 필요하다.
도2 및 도3은 패드 콘디셔너 해드(21)의 기준 위치를 나타내는 평면도 및 그에 대응하는 측면도이다. 도2 및 도3을 참조하면, 패드 콘디셔너 해드(21)의 기준위치는 패드(11)가 놓여있는 플래튼(23)의 가장자리(EDGE)와 패드 콘디셔너 해드(21)의 가장자리가 서로 접하는 위치이다. 종래에는 이들 콘디셔너 해드(21)와 플래튼(23)의 가장자리가 접하도록 장비 관리자가 육안으로 관찰하면서 콘디셔너 해드(21)의 위치를 조정하였다. 그러나, 이런 육안 관찰은 개인차 등으로 정확한 교정작업을 어렵게 하며, 특히, 도2의 측면도에서 나타나듯이 패드(11)가 플래튼(23)의 가장자리보다 바깥쪽으로 돌출되게 설치되므로 콘디셔너 해드(21)와 플래튼(23)의 가장자리 일치여부를 비교하기 어려웠다.
따라서, CMP 장비의 부정확한 콘디셔너 해드(21) 위치로 인하여 패드(11) 세정 구간을 정확히 하기 어렵고, 웨이퍼(17)의 일부에서 CMP 공정의 마모이상으로 인한 불량이 발생할 가능성이 높았다.
본 발명은 이상에서 언급한 CMP 장비의 콘디셔너 해드 위치 교정상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘디셔너 해드 가장자리가 패드가 놓인 플래튼의 가장자리에 정확히 접하도록 위치를 교정할 수 있는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, CMP 장비에서 패드가 플래튼보다 바깥쪽으로 돌출된 경우에도 장애없이 플래튼의 가장자리와 패드 콘디셔너 해드의 가장자리를 한 점에서 정확히 일치시킬 수 있는 CMP 장비의 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 통상의 CMP 장비의 구성을 평면적으로 나타내는 개략적 도면이다.
도2 및 도3은 패드 콘디셔너 해드(21)의 기준 위치를 나타내는 평면도 및 그에 대응하는 측면도이다.
도4는 본 발명의 측정 장치 및 사용 상태를 개념적으로 나타내기 위한 개략적 투시 평면도이다.
도5는 도4를 I-I 절단선에 따라 절단한 뒤 화살표 방향으로 본 측면도이다.
도6은 도4 및 도5의 실시예에서 도시된 본 발명 측정 장치의 사시도를 나타낸다.
도7은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도8은 도7의 실시례를 사용하는 상태를 평면 투시적으로 나타내는 사용 상태도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치측정장치는 플래튼의 외주면에 외접하는 기준면을 가지고 플래튼의 중심에서 외각쪽으로 뻗어있는 제1 수평부재와 패드 콘디셔너 해드의 최외각 지점의 위치를 측정하기 위한 제2 수평부재 및 이들 제1, 제2 수평부재를 일정한 상대 위치에 놓이도록 연결하는 연결부재를 구비한다. 본 발명의 측정장치는 패드에서 플래튼이 형성하는 외주 범위 밖으로 돌출되는 부분이 상기 기준면과 상기 플래튼의 외주면이 닿는 것을 방해하지 않도록, 사용상태에서 제1 수평부재 및 제2 수평부재가 연결부재와 함께 플래튼 외주 범위 밖으로 돌출되는 패드 부분을 외측으로 둘러싸도록 구성된다. 본 발명에서 이하 외측이란 플래튼 중심으로부터의 방사 방향 혹은 방상 방향으로 먼 쪽을 의미한다.
이때, 연결부재가 제2 수평부재와 제1 수평부재가 일정한 상대 위치에 놓이도록 연결하는 형태의 하나는 제1 수평부재의 기준면이 플래튼의 외주면에 접촉될 때 제2 수평부재의 기준 눈금에 정상적인 상태의, 즉, 플래튼의 외주와 패드 콘디셔너 해드의 최외각 지점이 접하는 상태의, 해드 최외각 지점이 오도록 하는 것이다. 패드 콘디셔너 해드의 최외각 지점이란, 패드 콘디셔너 해드가 플래튼의 패드 위쪽에서 기능할 때 플래튼 중심에서 가장 멀리 떨어져 있는 곳을 의미한다.
제2 수평부재의 기준 눈금 주변에는 일정 간격으로 다른 보조 눈금을 넣을 경우, 패드 콘디션너 해드의 최외각 지점이 기준 눈금에서 벗어나면 이들 보조 눈금을 통해 벗어난 정도를 파악할 수 있다. 그리고, 그 오차값을 패드 콘디셔너 해드의 위치를 조절하는 데 이용할 수 있다.
본 발명에서 제1 및 제2 수평부재와 연결부재가 일체로 형성될 수 있다. 만약, 연결부재가 별도의 부품으로 형성되고 제1 수평부재 및 제2 수평부재가 연결부재에 부착되면 제1 수평부재 및 제2 수평부재의 상대 위치가 연결부재에서의 연결 상태에 따라 바뀔 염려가 있다. 그러므로, 본 발명은 각 부분이 일체로 결합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 연결부재는 제1 수평부재와 제2 수평부재 사이의 절곡부를 포함하는 수직부재로 이루어질 수 있다. 제1 수평부재는 제2 수평부재와 달리 기준면을 중심으로 외측으로만 형성되므로 본 발명은 다리의 길이가 다른 U자형으로 볼 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도4는 본 발명의 측정 장치 및 사용 상태를 개념적으로 나타내기 위한 개략적 투시 평면도이다. 도5는 도4를 I-I 절단선에 따라 절단한 뒤 화살표 방향으로 본 측면도로 도3의 종래의 기술과의 비교를 쉽게 하도록 그려진 것이다. 이때 I-I절단선은 본 발명의 사용상태에서 플래튼의 중심에서 외측으로 방사상으로 연장한 방사선의 일 부분이다. 도6은 도4 및 도5의 실시예에서 도시된 본 발명 측정 장치의 사시도를 나타낸다.
이하 도4 내지 도6을 참조하면, 플래튼(23)의 외주면에 접하는 기준면(102)을 가진 제1 수평부재(101)는 기준면(102)을 중심으로 도5와 같이 플래튼(23) 외측 방향으로 수평하게 형성된 부분을 가지고 있다. 이 부분은 하나의 막대형으로 이루어질 수도 있으나 본 예에서는 도6에서 볼 수 있듯이, 도시된 길이 A를 가지고 기준면(102)을 이루는 일 단이 플래튼(23)의 외주면을 따라 폭이 확장되면서 형성된다. 제1 수평부재(101)의 기준면(102)측 일 단을 확장하여 형성하면, 기준면(102)을 플래튼(23) 외주와 정확히 일치시킬 수 있으므로 측정을 정확히 하는데 도움이 될 수 있다. 제2 수평부재(103)는 도5에서 볼 때 제1 수평부재(101)의 위쪽에 일정 거리 이격되어 평행을 이루면서 수평으로 뻗어있다. 제2 수평부재(103)는 제1 수평부재(101)의 기준면(102)을 수직하게 연장할 때 그 연장된 면과 만나는 점에 해당하는 기준점을 가지고 이 기준점에 기준 눈금(107)이 새겨진다. 또한, 제1 수평부재(101)는 기준면(102)에서 플래튼(23) 외측 방향으로만 형성되어 있으나, 제2 수평부재(103)는 기준점에서 플래튼(23) 외측 및 내측 방향으로 형성되는 부분을 가진다. 이들 부분에는 기준점을 중심으로 외측 및 내측 방향으로 일정 간격의 보조 눈금(109)이 매겨져 있다. 제2 수평부재(103)의 외측 단과 제1 수평부재(101)의 외측 단은 연결부재(105)를 통해 연결된다.
따라서, 제2 수평부재(103)의 외측 부분, 연결부재(105), 제1 수평부재(101)은 대략 위쪽 변이 길게 연장된 'ㄷ'자 혹은 옆으로 누은 'U'자 형태를 가진다. 그러므로, 본 실시예의 측정장치(100)는 패드(11)에서 플래튼(23) 외주를 넘어서 외측으로 연장된 부분과 닿지 않고 연장된 패드(11) 부분을 외측으로 우회하면서 서로 영향을 주지 않게 된다. 또한, 제2 수평부재(103)와 제1 수평부재(101)는 이격되어 그 사이에는 패드(11) 부분뿐 아니라 패드 컨디셔너(15)의 해드(21)도 수용될 수 있다. 따라서, 제1 수평부재(101)의 기준면(102)을 플래튼(23)의 외주면에 접하도록 하면서 동시에 제2 수평부재(103)가 패드 컨디셔너 해드(21)를 위에서 가로지르도록 하면, 패드 컨디셔너 해드(21)의 최외각 부분이 제2 수평부재(103)의기준 눈금(107)에서 얼마나 벗어나 있는 지를 측정할 수 있다.
도7은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도7을 참조하면, 도4의 사용례에서 패드 콘디셔너 해드(21)의 회전축 때문에 제2 수평부재(103)가 패드 콘디셔너 해드(21)의 최외각을 직접 가로지르지 못한다. 따라서, 제2 수평부재(103)에 형성된 눈금(107,109)으로 패드 콘디셔너 해드(21)의 최외각 위치를 정확히 측정할 수 없는 것을 보완하기 위해 본 실시예는 눈금 연장부(111)를 구비한다. 눈금 연장부(111)는 플래튼(23)의 외주면과 같은 곡률 혹은 유사한 곡률을 가지고 제2 수평부재(103)에서 제2 수평부재(103)의 외측 혹은 내측으로 움직일 수 있도록 부착된다. 사용법을 살펴보면, 우선, 눈금 연장부(111)를 제2 수평부재(103)의 내외측 방향으로 움직이면서 패드 콘디셔너 해드(21)의 최외각과 눈금 연장부(111)의 내측 변이 위에서 볼 때 접하도록 한다.
그리고, 이때의 눈금 연장부(111) 내측 변이 제2 수평부재(103)와 연결된 곳에서 제2 수평부재(103)의 눈금을 읽는다. 제2 수평부재(103)의 보조 눈금(109)은 기준 눈금(107)과의 이격거리를 나타내고, 기준 눈금(107)은 플래튼(23)의 외주면에 대응된다. 따라서, 제2 수평부재(103)의 눈금을 읽으면 패드 콘디셔너 해드(21)의 최외각이 플래튼(23) 외주면에서 얼마나 벗어나 있는 지를 알 수 있고, 패드 콘디셔너 해드(21)의 정확한 위치 조절이 가능해진다.
도8은 도7의 실시례를 사용하는 상태를 평면 투시적으로 나타내는 사용 상태도이다. 사용의 편의를 위해서 본 발명의 패드 콘디셔너 해드(21) 위치 측정장치에는 작업자가 다루기 쉽도록 임의의 부분에 손잡이를 부착할 수 있다.
본 발명에 따르면 이전에 목측 사용여 패드 콘디셔너 해드의 위치를 조절할 때의 부정확함을 방지할 수 있고, 특히 플래튼 밖으로 패드 일부가 벗어남으로 인하여 목측도 어려웠던 점을 보완하여 정확한 패드 콘디셔너 해드 위치를 확보하고 따라서 관련 CMP 작업의 질을 높일 수 있다.

Claims (7)

  1. 수직하게 형성되는, CMP(chemical mechanical polishing) 장비 플래튼의 외주면과 접하도록 형성된 기준면을 일 단으로 수평하게 형성되는 제1 수평부재,
    상기 제1 수평 부재 위쪽에 일정 거리 이격되도록 수평으로 형성되며, 상기 기준면을 수직하게 확장할 때 만나는 위치에 기준 눈금을 가지는 제2 수평부재,
    상기 제1 수평부재와 상기 제2 수평부재를 연결하여 상대적으로 고정시키는 연결부재를 구비하여 이루어지는 CMP(chemical mechanical polishing) 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수평부재와 상기 연결부재가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 CMP(chemical mechanical polishing) 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준면이 상기 플래튼의 외주면과 넓은 면적에서 접하도록 상기 제1 수평부재의 상기 일 단이 타 단보다 상기 플래튼의 외주면을 따라 넓게 확장된 것을 특징으로 하는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준면이 상기 플래튼 외주면에 접할 때 상기 플래튼의 중심에서 바깥 쪽으로의 방사 방향을 외측, 상기 방사 방향과 반대 방향을 내측이라 하면,
    상기 제2 수평부재는 상기 기준 눈금을 기준으로 외측으로 형성되는 외측부 및 내측으로 형성되는 내측부를 가지며, 상기 외측부와 상기 내측부에는 상기 기준 눈금을 중심으로 일정 간격으로 형성된 보조 눈금을 가지며,
    상기 연결부재는 상기 제1 수평부재의 외측 단부와 상기 제2 수평부재의 외측 단부를 고정시켜 연결하는 것임을 특징으로 하는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 수평부재의 외측 단부 및 상기 제2 수평부재의 외측 단부는 각각 상기 기준면과 상기 기준 눈금을 기준으로 외측으로 적어도 상기 플래튼의 외주를 벗어난 패드 부분 보다 큰 폭으로 이격되도록 형성됨을 특징으로 하는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 연결부에는 사용시 작업자가 파지하기 쉽게 손잡이가 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 수평부재에는 상기 플래튼의 외주면과 같은 곡률을 가지고 제2 수평부재에서 외측 혹은 내측으로 움직일 수 있도록 부착되는 눈금 확장부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비 패드 콘디셔너 해드의 위치 측정장치.
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