KR20020077677A - 반도체 웨이퍼의 제어식 폴리싱 및 평탄화 시스템과 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼의 제어식 폴리싱 및 평탄화 시스템과 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 웨이퍼의 폴리싱 시스템 및 방법은 반도체 웨이퍼(W)에 대해 다수의 부분 중복 위치로 이동가능한 회전가능한 폴리싱 패드(36)를 포함한다. 웨이퍼에 인접하게 또한 동평면에 위치하는 패드 드레싱 장치(16)는 웨이퍼와 접촉하지 않는 폴리싱 패드(36)의 일부와 내부 패드 조건설정을 제공한다. 이 방법은 웨이퍼에 대해 폴리싱 패드(36)를 반경방향으로 이동시키는 단계를 포함한다.

Description

반도체 웨이퍼의 제어식 폴리싱 및 평탄화 시스템과 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLED POLISHING AND PLANARIZATION OF SEMICONDUCTOR WAFERS}
반도체 웨이퍼는 원하는 집적 회로 설계의 여러 복제본으로 제작되는 것이 일반적이며, 이는 나중에 개별 칩으로 나누어진다. 반도체 웨이퍼에 회로를 만드는 공통적 기술이 포토리소그래피이다. 포토리소그래피 과정의 일부에서는 전용 카메라가 웨이퍼 위 회로의 이미지를 투사하기 위해 웨이퍼에 초점을 맞추는 과정이 필요하다. 웨이퍼 표면에 초점을 잡는 카메라의 능력은 웨이퍼 표면의 불균일성에 의해 저하될 수 있다. 이 민감도는 더 작고 고도로 집적된 집적 회로를 향한 현재의 경향과 함께 높아진다. 이 고도의 집적 회로는 웨이퍼 상의 특정 다이 내, 또는 다수의 다이간, 어떤 불균일성도 감내할 수 없다. 웨이퍼 상의 반도체 회로가 층으로 만들어지고, 회로 일부가 제 1 층에 형성되고 전도 바이어가 이를 다음층의 회로 일부에 연결하기 때문에, 각각의 층은 다음층을 발생시키기 전에 반드시 부드러워져야 하는 웨이퍼 상의 형태를 추가하거나 생성할 수 있다. 웨이퍼의 각 층을 평탄화시키고 폴리싱하기 위해 화학기계적 평탄화(산화물-CMP) 기술이 사용된다. CMP(금속-CMP)는 다이-내 금속 플러그 및 와이어를 성형하는 데도 폭넓게 사용되어, 웨이퍼 표면으로부터 과량의 금속을 제거하고 웨이퍼 위에 원하는 플러그와 트렌치 내에만 금속이 남게한다. 웨이퍼 폴리셔라고도 불리는 가용한 CMP 시스템은 웨이퍼를, 평탄화할 웨이퍼 표면의 평면에서 회전하는 폴리싱 패드와 접촉하도록 하는 회전 웨이퍼 홀더를 이용한다. 미세 연마제를 내장한 현탄액이나 화학적 폴리싱제와, 표면 수정 화학물질이 웨이퍼 폴리싱을 위해 폴리싱 패드에 가해진다. 웨이퍼 홀더는 회전하는 폴리싱 패드에 대해 웨이퍼를 누르고, 웨이퍼의 폴리싱 및 평탄화를 위해 회전한다. 일부 가용한 웨이퍼 폴리셔는 폴리싱 패드를 운반하기 위해 회전면에서보다는 선형 벨트를, 또는 궤도 운동을 이용한다. 모든 사례에서, 웨이퍼의 표면은 전체 표면을 동시에 폴리싱하기 위해 폴리싱 패드에 의해 완전히 덮히고 접촉한다. 전체 표면을 동시에 폴리싱하는 방법의 한가지 단점은 웨이퍼가 CMP 처리를 완전히 평탄하게 시작하더라도, 웨이퍼 상의 여러 회로가 CMP 처리에 서로 다른 반응을 할 수 있다는 점이다. 이는 웨이퍼 일부분에서의 물질 밀도나 웨이퍼 일부에 증착되는 여러 다른 종류의 물질 때문일 수 있다. 전체 표면의 동시 폴리싱은 차등적이고 불균일한 세척 속도 때문에 다른것보다 고속으로 웨이퍼의 일부 얼룩(spot)을 세척할 것이고, 웨이퍼 일부 영역을 과도하게 폴리싱할 수도 있다. 웨이퍼 제작에 사용되는 여러 물질 처리과정은 웨이퍼에 균일한 CMP 폴리싱 처리를 제공하기 위해 구체적인 난관을 가진다. 최근에 자주 사용되는 처리과정 중 하나인 구리 이중 물결무니 처리(copper dual damascene process)는, 웨이퍼 전체면을 동시에 폴리싱하는 폴리셔에서 발생할 수 있는, 과도 폴리싱에 특히 민감하다. 또한, 더 큰 직경의 웨이퍼를 처리하려는 경향은 더 큰 표면적에 대한 균일성을 요구함으로서 CMP 처리에 더욱 높은 수준의 난이도가 필요하다.
따라서, 이 문제들을 해결하는 CMP 실행 방법 및 시스템이 요구된다.
본 발명은 화학기계적 평탄화 기술을 이용한 반도체 웨이퍼의 평탄화에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 형태가 바뀌는 접촉면적에서 조절하면서 반도체 웨이퍼를 평탄화시키는 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 선호되는 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 폴리싱 시스템의 측면에서 본 단면도이다.
도 2는 도 1의 시스템에 사용하기 적절한 웨이퍼 캐리어 장치의 평면도.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 단면도.
도 4는 도 1의 시스템에 이용하기 적절한 폴리싱 패드 캐리어 장치와 툴 체인저의 단면도.
도 5A-D는 도 1의 시스템에 이용하기 적절한 패드 드레싱 장치의 표면에 대한 여러 다른 실시예들의 평면도.
도 6은 도 1의 폴리셔의 개별 성분과 마이크로프로세서간 통신선의 블록도표.
도 7은 도1 의 시스템의 구성성분의 움직임을 보여주는 평면도.
도 8은 도 1의 웨이퍼 폴리셔를 통합한 웨이퍼 처리 시스템의 도면.
앞서 언급한 기존 기술의 단점을 해결하기 위해, 개선된 폴리싱 성능 및 유동성을 제공하면서, 과폴리싱을 방지하고, 그리고 구리 처리를 이용하여 생성된 것처럼 층의 평면화가 어려운 과정에서 생성된 웨이퍼의 폴리싱 균일성 개선을 돕는, 웨이퍼 폴리셔가 아래에 공개된다. 웨이퍼 폴리셔(10)의 선호되는 실시예가 도 1에 도시된다. 폴리셔(10)는 웨이퍼 캐리어 장치(12), 패드 캐리어 장치(14), 그리고 패드 드레싱 장치(16)로 구성된다. 웨이퍼 캐리어 장치(12)와 패드 드레싱 장치(16)가 프레임(18)에 장착되는 것이 선호된다. 웨이퍼 캐리어 장치(12)는 모터(24)에 회전가능하게 연결되는 샤프트(22)에 장착되는 웨이퍼 헤드(20)를 포함한다. 선호되는 실시예에서, 웨이퍼 헤드(20)는 패드 캐리어 장치(14)로부터 폴리싱 압이 가해질 때 휘거나 구부러지지 않는 견고한 평면을 유지하도록 설계된다. 웨이퍼 헤드(20)에 추가적지지 장치를 제공하기 위해 웨이퍼 헤드(20)의 원주를 따라 웨이퍼 헤드(20)와 프레임(18)의 상부면(28) 사이에 원형 베어링(26), 또는 다른 종류의 지지 장치가 위치한다. 대안으로, 어떤 편향도 피할만큼 충분한 강도를 가진 샤프트(22)를 지닌 웨이퍼 캐리어 장치(20)가 만들어질 수도 있다.
웨이퍼 캐리어 장치(12)의 웨이퍼 헤드(20)는 도 2와 3을 들어 더욱 자세히 설명된다. 웨이퍼 헤드(20)는 폴리싱 중 반도체 웨이퍼를 고정된 위치에 놓아 유지시키기 위해 웨이퍼 수용 영역(30)을 가지는 것이 선호된다. 웨이퍼 수용 영역(30)은 도 3에 도시되는 바와 같이 움푹들어간 영역일 수도 있고, 웨이퍼 헤드(20)의 회전 중심에 모인 영역일 수도 있다. CMP 처리 중 웨이퍼와 웨이퍼 헤드(20)간 접촉을 유지하기 위한 수많은 공지 방법들 중 어느것으로도 구현될 수 있다. 선호되는 실시예에서, 웨이퍼 헤드(20)의 웨이퍼 수용 영역(30)은 웨이퍼 헤드(20)로부터 웨이퍼를 분리하거나 밀착 상태 유지에 유용한 진공을 수용하거나 일련의 대기 흐름을 제공하기 위한 다수의 공기 통로(32)를 포함한다. 웨이퍼에 진공을 가하기 위해 다공질 세라믹이나 금속 재료가 사용될 수도 있다. 웨이퍼 캐리어에 대해 웨이퍼의 접촉상태를 유지시키는 다른 방법들, 가령, 접착방식, 원주 둘레에 위치한 클램프, 또는 액체로부터의 표면장력 등이 사용될 수 있다. 로봇처럼 웨이퍼 전송 메카니즘으로부터 웨이퍼를 올리고 내리는 것(loading and unloading)을 돕기 위해 헤드(20)의 웨이퍼 수용 영역(30)으로부터 뻗어가는 위치와 웨이퍼 헤드 내 움푹 들어간 위치 사이에 한개 이상의 웨이퍼 리프팅 샤프트(34)가 이동가능하게 위치한다. 각각의 웨이퍼 리프팅 샤프트는 공기압방식, 유압방식, 전기적 방식, 자기적 방식, 또는 그 외 다른 수단을 통해 동작할 수 있다. 또하나의 선호되는 실시예에서, 웨이퍼 헤드(20)는 웨이퍼 리프팅 샤프트(34)없이 제작될 수 있고, 웨이퍼는 진공 보조 방법을 이용하여 웨이퍼 헤드로부터 로딩되거나 언로딩될 수 있다.
도 1에서, 패드 캐리어 장치(14)는 패드 캐리어 헤드(38)의 패드 지지 표면(40)에 부착된 폴리싱 패드(36)를 포함한다. 폴리싱 패드(36)는 반도체 웨이퍼의 평탄화와 폴리싱에 적절한 다수의 공지된 폴리싱 물질일 수 있다. 폴리싱 패드는 미국, 델라웨어 소재 Rodel Corporation 제품인 IC 1000 패드같이 연마 현탄액과 연계하여 사용되는 종류의 패드일 수 있다. 대안으로, 패드는 연마제 함유 현탄액을 필요로하지 않는 고정 연마 물질로 만들어질 수도 있다. 폴리싱 패드(36)의 직경이 웨이퍼 W의 직경과 일치하는 것이 선호되지만, 폴리싱 패드와 웨이퍼에 대한 다른 직경 비도 고려된다. 한 실시예에서, 폴리싱 패드 크기는 웨이퍼 상의 단일 다이의 크기에서부터 웨이퍼 크기의 두배 영역까지 사이이다. 웨이퍼 면적보다큰 면적의 패드 드레싱 표면은 폴리싱 패드를 더 넓은 범위로 움직이는 데 있어 바람직하다. 예를 들자면, 패드 드레싱 표면의 중심과 웨이퍼 중심 사이에 형성되는 가상선에 폴리싱 패드의 중심을 위치시키는 방식으로 폴리싱 패드가 움직이는 상황의 경우 그러하다. 여러개 패드 드레싱 헤드가 고려되는 실시예에서는 이용되는 폴리싱 패드를 설정하고 지지하기에 패드 드레싱 헤드의 면적이 충분한 것이 선호된다.
패드 캐리어 헤드(38)는 툴 체인저(48)의 숫나사부(44)와 암나사부(46)를 통해 스핀들(42)에 부착되는 것이 선호된다. 툴 체인저는 패드 캐리어 헤드(38) 사이에서 서로 교환가능하게 이루어지며, 따라서, 웨이퍼 헤드와, 이에 관련된 종류의 연마 폴리싱 화학물질을 변화시킴으로서 서로 다른 CMP 처리가 동일 웨이퍼에 적용될 수 있다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 패드(36)는 스핀들(42) 내에 위치할 수 있는 한개 이상의 연마 적용 선(52)에 의해 공급되는 툴체인저(44, 46)와 패드 캐리어 헤드(38)로부터 통로(50)를 통해 연마 현탄액을 수용할 수 있다. 스핀들은 스핀들 전송 메카니즘(56)에 장착되는 스핀들 구동 장치(65) 내에 회전가능하게 장착된다. 전송 메카니즘은 폴리싱 과정 중 웨이퍼 위의 구분된 다수의 위치로 폴리싱 패드를 이동시킬 수 있는, 제어가능한 왕복 운동, 또는 궤도 운동, 또는 회전 아암 메카니즘을 가진 다수의 기계적, 전기적, 또는 공기압적 장치 중 어느것도 가능하다.
스핀들 구동 장치(54)는 폴리싱 패드 캐리어 헤드(38) 상에서 폴리싱 패드(36)를 회전시키도록 설계되며, 웨이퍼 W의 평면으로부터 가까운 방향으로 또는 반대편 먼 방향으로 폴리싱 패드를 이동시키도록 스핀들의 움직임을 허용하도록, 그리고 CMP 처리 중 웨이퍼에 제어 폴리싱 압을 적용하도록 설계된다. 또한, 패드 캐리어에 쉽게 접근하게 하고, 폴리싱 패드의 장치 자동 대체를 용이하게 한다. 미국 캘리포니아 Fremont 소재의 Lam Research Corporation 사 제품인 TERES 폴리셔에 사용되는 종류인 적절한 스핀들 구동 장치가 이 작업 달성에 이용될 수 있다. 스핀들 전송 메카니즘(56)은 폴리싱되는 웨이퍼 W에 동평면인 방향으로 스핀들을 전송할 수 있는 다수의 기계적/전기적 장치 중 하나일 수 있다.이 방식으로, 폴리싱 패드(36)가, 특히 웨이퍼 W의 반경을 따른 위치에 관한 선형 방향으로, 정확하게 위치하거나 진동할 수 있다.
패드 드레싱 장치(16)는 패드 캐리어 장치(14) 반대편, 웨이퍼 캐리어 장치에 인접하게 위치한다. 패드 드레싱 장치(16)는 폴리싱 패드(36)의 내부/외부 조건설정 및 세척을 제공하도록 설계된다.
한 실시예에서, 패드 드레싱 장치(16)의 액티브 표면(58)의 크기는 폴리싱 패드 면적과 동일한 것이 선호된다. 패드 드레싱 장치의 액티브 영역은 일부 다른 실시예에서 폴리싱 패드의 면적보다 클 수도 있고 작을 수도 있다. 추가적으로, 패드 드레싱 장치는 타실시예에서 회전가능한 다수의 표면으로 이루어질 수도 있다.
패드 드레싱 장치(16)는 처리되는 웨이퍼 W의 표면과 동평면인 표면(58)을 가진다. 패드 드레싱 장치 액티브 표면의 크기는 폴리싱 패드(36)의 크기 이상이다. 패드 드레싱 장치(16)의 표면(58)은 모터(64)에 회전가능하게 장착된 샤프트(62)에 부착되는 패드 드레싱 헤드(60)에 고정된다. 웨이퍼 W로 다수의 패드드레싱 표면(58)를 유지시키는 것을 돕기 위해, 패드 드레싱 장치(16)의 위치를 조절하도록 평면 조절 메카니즘(66)이 이용될 수 있다.
한 실시예에서, 평면 조절 메카니즘(66)은 기계적 장치로서, CMP 처리 동작간에 늘어질 수도 있고 높이 변화를 보상하도록 조절될 수도 있으며, 다시 팽팽하게 조여질 수도 있다. 한가지 대안의 실시예에서, 평면 조절 메카니즘은 패드 드레싱 헤드(60) 상에서 상향 압력을 연속적으로 제시하는 스프링식 또는 공기압식 실린더같은, 기계적/전기적 구동 장치일 수 있어서, 패드 드레싱 표면(58)에 대한 패드 캐리어 장치(14)의 압력이 웨이퍼 캐리어 장치(12)에 장착되는 웨이퍼 W와의 동평면 관계로 패드 드레싱 표면을 유지시킨다. 또하나의 실시예에서, 패드 드레싱 표면의 평면과 웨이퍼 캐리어 헤드를 조절하기 위해, 세가지 별도의 높이를 조절가능한 샤프트를 가지는 삼점 균형 장치가 이용될 수 있다. 웨이퍼 캐리어 장치(12)에 대해, 패드 드레싱 헤드(60)는 샤프트(62)만으로 지지될 수 있거나 원형 베어링에 의해 지지될 수 있다.
도 5A-D에서, 패드 드레싱 헤드(60) 상에 위치하는 선호되는 패드 드레싱 표면의 여러 실시예가 도시된다. 도 5A에서는 패드 드레싱 표면이 알루미나, 산화세륨, 다이아몬드(3M 및 Diamonex 사 제품)같은 고정 연마 매체(70)로 완전히 덮힌다. 추가적으로, 탈이온화된 물, 현탄액, 또는 다른 원하는 화학 스프레이처럼 유체를 전송하기 위한 다수의 구멍(72)이 표면 사이에 산재된다.
패드 드레싱 장치의 액티브 표면은 다이아몬드 코팅된 판이나 패드처럼 단일 드레싱 형태로 구성될 수도 있고, 여러 다른 물질로 된 여러 조각의 조합일 수도있다. 달리 선호되는 실시예에서, 패드 드레싱 헤드의 표면은 섹션으로 분할되고, 고정 연마 유닛, 브러시 및 스프레이 유닛, 스프레이어, 그리고 다른 종류의 공지 패드 드레싱 서비스처럼 표준 형태의 패드 설정 섹션 세트를 포함한다. 원하는 패드 드레싱 성능에 따라, 패드 드레싱 헤드의 표면의 각 섹션은 회전 및 왕복 운동을 제공하기 위해 독립적으로 조절가능한 액츄에이터와, 액체 공급 포트를 가질 수 있다.
도 5B에 도시되는 바와 같이, 패드 드레싱 표면은 표면의 한쪽 반우에 고정 연마제(74)를, 표면의 다른 반쪽 위에 클린 패드(76)를, 그리고 클린 패드 섹션을 따라 위치하는 유체 소모 관(78)의 배열을 가질 수 있다. 클린 패드는 Rodel Corporation의 Polytex 제품같은 합성다공성 물질일 수 있다. 또하나의 선호되는 실시예에서, 패드 드레싱 표면은 한 장의 다이아몬드 그리트(80), 또다른 반경을 따라 놓이는 나일론 브러시(82), 그리고 도 5C에 도시되는 바와 같이 나일론 브리서 및 다이아몬드 매체의 스트립에 수직인 다수의 유체관(84)을 가질 수 있다. 도 5D에 도시되는 또다른 실시예에서는, 고정 연마 물질(86)이 표면의 반대쪽 쿼터에 위치하며, 다수의 유체관(88)과 클린 패드(90)가 표면의 나머지 두 쿼터 중 각각 하나씩에 위치한다. 패드를 염마하고 조건설정하는 연마 물질, 패드를 씻기기 위한 유체, 그리고 클린 패드 물질에 대한 다수의 구조 중 하나가 사용될 수 있다. 추가적으로, 어떤 적절한 연마제나 유체가 사용될 수도 있다.
도 1-5의 폴리셔(10)는 각 표면사이에 동평면 관계를 가지는 패드 드레싱 장치와 웨이퍼 캐리어 장치를 가지는 것으로 설정된다. 앞서 제공된 바와 같이, 동평면 성질은 수동으로 조절될 수도 있고, 자동조절될 수도 있다. 또한, 패드 드레싱 헤드와 웨이퍼 캐리어 헤드는 가능한 반경방향으로 가깝게 위치하여, 폴리싱 패드 물질의 최대크기가 조건설정될 것이다. 패드 드레싱 헤드의 표면이 충분히 크고 웨이퍼 캐리어에 대해 충분히 가깝게 위치하여, 전체 폴리싱 패드가 패드의 완전한 한번 회전 이후 조건설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 각 패드 드레싱 장치의 표면은 웨이퍼 캐리어 헤드에 대해 반경방향으로 배열될 수 있고, 또는 달리 원하는 방식으로 배열될 수도 있다.
선호되는 실시예에서, 각각의 웨이퍼 캐리어, 패드 캐리어, 패드 드레싱 장치는 수평이 유지되지 않는 헤드를 가지도록 만들어진다. 또다른 실시예에서, 패드 캐리어 헤드는 상호작용하는 웨이퍼 표면, 폴리싱 패드, 그리고 패드 드레싱 표면의 정렬시에 작은 부정확도도 보상받기 위해 당 분야에 잘 알려진 바와 같이 수평 균형의 헤드일 수 있다. 또한, 웨이퍼 캐리어 헤드와 패드 드레싱 헤드는 상향으로 면하는 각각의 표면과 함께 정렬되고, 이때 패드 캐리어 헤드는 하향으로 면한다. 이 웨이퍼 업 설정의 장점은 개선된 내부 표면 검사, 종료점 감지, 그리고 웨이퍼 표면에 액체 직접 공급을 도울 수 있다는 점이다. 타실시예에서, 웨이퍼와 패드 드레싱 헤드, 그리고 맞은편의 패드 캐리어 헤드는 수직면처럼 비-수평 평면에 병렬로 향할 수 있다. 또는 공간 및 설비 제약에 따라 완전히 역전될 수도 있다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 폴리셔(10)는 프로그래머블 메모리(67)에 저장된 명령을 바탕으로 마이크로프로세서(CPU)(65)에 의해 제어된다. 명령은 폴리셔의 여러 성분에 의해 감지되거나 유지되는 동작 매개변수의 조합을 바탕으로 사용자에의해 입력되거나 계산되는 웨이퍼 전용 폴리싱 기법에 관한 명령 목록일 수 있다. 이 매개변수들은 패드, 웨이퍼, 그리고 패드 드레싱 성분에 대한 캐리어 헤드의 회전 속도, 스핀들 구동 장치(54)로부터 위치/힘 정보, 스핀들 선형 전송 메카니즘(56)으로부터 반경방향 패드 위치 정보, 그리고 종료점 감지기(61)로부터의 정보에 의해 조절되고 CPU에 의해 유지되는 폴리싱 시간을 포함할 수 있다. CPU는 폴리셔의 여러 다른 구성성분들 각각과 통신한다.
도 1-6에 설명되는 폴리셔(10)를 참고하여, 폴리셔의 동작이 아래에 설명된다. 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어로 로딩된 후, 폴리싱 패드는 스핀들 구동 장치에 의해 낮아져서, 도 7에 도시되는 바와 같이 폴리싱 패드가 웨이퍼 표면 일부랑 겹쳐진다. 폴리셔가 패드로 웨이퍼 표면을 완전히 덮도록 동작할 수 있지만, 패드는 주어진 시간에 웨이퍼 표면의 일부만 접촉하면서 덮는 것이 선호된다. 또한, 웨이퍼를 덮지 않는 폴리싱 패드의 부분은 패드 드레싱 장치의 표면을 접촉하면서 덮는 것이 선호된다. 따라서, 폴리싱 패드 일부가 회전하고 회전 웨이퍼 일부에 대해 압력을 가할때, 폴리싱 패드의 또다른 부분이 패드 드레싱 장치의 회전면에 대해 회전하여, 패드의 각 회전에서 폴리싱 패드를 세척하고 조건설정한다. 전체 폴리싱 패드는 폴리싱 및 패드 조건설정의 연속 처리에 사용된다.
폴리셔(10)는 웨이퍼마다 균일성의 지역적 변화를 처리할 수 있다. 이 기능은 각 웨이퍼에 프로파일 정보를 먼저 얻고, 각 웨이퍼의 특정 비균일성을 처리하고자 폴리셔에 대한 폴리싱 전략을 계산함으로서 이루어진다. 웨이퍼 프로파일 정보는 특정 웨이퍼의 앞서 층들을 처리함에 있어 결정된 앞서 측정들로부터 얻을 수있고, 또는 웨이퍼 처리전 특별히 측정될 수 있다. 필요한 프로파일 데이터를 얻기 위해, 다수의 공지된 프로파일 측정 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로파일 성질 결정을 위해 웨이퍼 중심으로부터 둘레쪽으로 네 개의 포인트 프로브를 이용한 저항 측정이 이루어질 수 있다. 이 성질들은 폴리싱 패드의 앞서 측정 성질과 연계하여 사용되어, 최적의 폴리싱 기법을 계산하고 CPU에 의한 실행을 위해 폴리셔 메모리에 이 명령들을 저장할 수 있다.
웨이퍼 폴리싱 전후로, 웨이퍼 캐리어 장치(12)의 웨이퍼 리프팅 샤프트(38)가 활성화되어, 웨이퍼 수용면으로부터 웨이퍼를 들어올리고, 웨이퍼를 웨이퍼 운반 로봇에게로 전달한다. 또한, 특정 웨이퍼에 대한 CMP 처리 중, 웨이퍼, 폴리싱 패드, 그리고 패드 드레싱 표면 모두가 동일 방향으로 회전하는 것이 선호된다. 다른 조합의 회전 방향도 고려되며, 개별 장치들의 회전 속도는 특정 폴리싱 가동 중 용도에 따라 변할 수 있다.
폴리싱 기법이 결정되고 저장되며 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어에 적절히 장착되면, 폴리싱은 지정 폴리싱 기법에 따라 진행될 수 있다. 패드, 웨이퍼, 그리고 패드 드레싱 표면은 원하는 속도로 회전할 것이다. 패드, 웨이퍼, 그리고 패드 드레싱 표면에 대한 적절한 회전 속도는 0~700 rpm이다. 700 rpm을 넘는 회전 속도나 그 조합도 물론 고려된다. 스핀들에 대한 선형 전송 메카니즘은 웨이퍼 반경을 따라 제 1 점에 패드의 둘레를 위치시킬 것이고, 스핀들 구동 장치는 웨이퍼 표면에 도달하고 원하는 압려기 가해질 때까지 패드를 낮출 것이다. 폴리싱 패드는 웨이퍼 일부만을 덮는 것이 선호되며, 원하는 폴리싱 시간이 만료될 때까지 웨이퍼를 계속폴리싱한다. 한개 이상의 송신기/수신기 노드(63)를 갖춘 종료점 감지기(61)인, 처리 상태 검사 시스템은 웨이퍼의 수신 영역에 대한 폴리싱 진행에 대해 내부 정보를 제공하고 원래 폴리싱 시간 추정치를 업데이트하기 위해 CPU와 통신한다. 다수의 공지된 표면 검사 및 종료점 감지 방법 중 어떤 것도 사용될 수 있다. 지정 폴리싱 전략이 각각의 개별 웨이퍼에 적용될 수 있지만, 신호 검사 툴로부터의 신호가 각 위치에서 폴리싱 패드에 의해 소요된 시간을 정확하게 조절하기 위해 사용될 수 있다.
웨이퍼 제 1 영역을 폴리싱한 후, 선형 인덱스 메카니즘은 폴리싱 패드를 다음 위치로 이동시키고 그 영역을 폴리싱한다. 폴리싱 패드는 다음 반경방향 위치로 이동할 때 웨이퍼 표면과 접촉상태를 유지하는 것이 선호된다. 추가적으로, 폴리셔가 제 1 위치(폴리싱 패드의 변부가 웨이퍼 중심에서 시작하는 위치)로부터, 웨이퍼 변부에 도달할 때까지 순서대로 중심으로부터 반경방향으로 먼 다음 위치까지 폴리싱 패드를 이동시킬 때, 특정 웨이퍼의 프로파일은 다른 선형 경로에서 이동함으로서 최적으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 제 1 폴리싱 동작은 웨이퍼 중심과 변부 사이안의 한 점에서 폴리싱 패드의 변부와 함께 시작할 수 있고, 웨이퍼 중심에서 패드의 변부로 최종 폴리싱을 종료할 수 있다.
폴리싱 중, 폴리싱 패드는 패드 드레싱 장치의 표면과 계속적으로 접촉한다. 패드 드레싱 장치는 폴리싱 처리에 의해 발생하는 부산물을 세척하고 원하는 표면을 제공하기 위해 패드를 조건설정한다. 패드 드레싱 장치의 표면 위 연마 물질은 패드 표면을 활성화시키는 것이 선호되며, 이때 압력받은 탈이온수나 다른 적절한화학적 클렌저가 패드에 대해 표면의 관을 통해 스프레이된다.
CPU를 이용함으로서 스핀들에 의해 패드 캐리어에 가해지는 압력을 감시하고 패드 캐리어 헤드 및 웨이퍼를 제어가능하게 회전시키기 위해, 폴리성 처리는 폴리셔가 한 영역에서 종료되었음을 종료점 감지기가 표시할때까지 계속된다. 종료점 감지기로부터 정보를 수신하면, CPU는 스핀들 선형 구동 메카니즘(56)에게, 웨이퍼 중심으로부터 폴리싱 패드를 멀리 당기도록 웨이퍼 중심에 대해 폴리싱 패드를 반경방향으로 이동시키도록 명령하고, 웨이퍼의 다음 환상 영역에 집중하도록 명령한다. 패드가 웨이퍼 변부를 향해 반경방향으로 수축될 때 패드와 웨이퍼는 접촉 상태를 유지하는 것이 선호된다. 선호되는 실시예에서, 스핀들 선형 전송 메카니즘(56)은 패드의 움직임을 구분된 단계로 표시할 수 있다. 또다른 실시예에서, 스핀들 메나키즘(56)은 위치사이를 표시할 수 있고, 웨이퍼 상의 폴리상 영역간 부드러운 전개를 돕기 위해 각 위치에 관해 방사상으로 전후 진동할 수 있다.
또다른 실시예에서, 선형 스핀들 전송 메카니즘은 구분된 단계들로 움직이고, 각 단계 이후 고정 반경방향 위치에서 스핀들을 유지하며, 그리고 패드와 웨이퍼간 진동형 움직임을 제공하기 위해 폴리싱 패드 캐리어의 회전 중심으로부터 오프셋되는 폴리싱 패드를 이용할 수 있다. 도면으로부터 나타나는 바와 같이, 폴리싱 패드 드레싱은 웨이퍼와 접촉을 계속 유지할 뿐 아닐, 패드 드레싱 장치의 표면과도 접촉을 계속 유지한다. 폴리싱 패드의 각각의 회전은 웨이퍼 사이에 이를 먼저 가져올 것이고, 그후 패드 드레싱 장치의 표면 여러 위치와 접촉시킬 것이다.
폴리셔(10)는 패드가 웨이퍼와 완전히 겹쳐지도록 설정될 수 있으나, 패드는웨이퍼 비균일성을 피하는 것을 돕기 위해 웨이퍼에 대해 여러 부분적 중복 위치 사이에서 인덱싱되는 것이 선호된다. 이 구조와 처리과정의 장점은 웨이퍼의 전체면을 동시에 폴리싱하는 것과 연계된 폴리싱 문제점을 피하고 폴리싱을 더 원활히 제어하기 위해 웨이퍼의 여러 각위치에서 제거 속도에 초점을 맞추는 능력을 포함한다. 더욱이, 부분적 중복 설정을 이용함으로서, 연속적인 내부 패드 조건설정이 가능하다.
단일 패드 드레싱 장치가 도시되지만, 다중-패드 드레싱 장치도 역시 구현될 수 있다. 본 폴리셔(10)의 장점은 웨이퍼와 폴리싱 패드가 완전히 겹쳐지지 않는다는 사실을 바탕으로 내부 패드 조건설정뿐 아니라 내부 종료점 감지까지도 실행될 수 있다는 점이다. 추가적으로, 폴리싱 패드의 반경보다 작은 점에서 패드와 웨이퍼의 겹침을 시작함으로서, 폴리싱 패드가 각각의 회전을 완벽하게 조건설정받을 수 있다. 게다가, 폴리싱 패드의 표면을 완전히 이용함으로서 비용 절감이 이루어진다. 폴리싱되는 웨이퍼보다 폴리싱 패드가 훨씬 더 큰, 여러 기존 시스템과는 달리, 폴리싱 패드의 전체 면은 잠재적으로 이용된다.
다른 실시예에서, 도 1-7에 도시되는 폴리셔(10)는 도 8에 도시되는 바와 같이 더 큰 웨이퍼 처리 시스템(110) 내의 모듈(100)로 사용될 수 있다. 도 8의 시스템에서, 웨이퍼 생산량 증가를 위해 직렬로 다중 모듈이 링크된다. 웨이퍼 처리 시스템(110)은 평탄화와 폴리싱을 필요로하는 표준 입력 카셋(112) 내로 로딩되는 반도체 웨이퍼를 수용하도록 설정된다. 폴리싱을 위해 상기 카셋으로부터 제 1 모듈까지 개별 웨이퍼를 전달하기 위해 웨이퍼 전송 로봇(114)이 사용될 수 있다. 도 1의 폴리셔(10)에 대해 설명되는 바와 같이, 제 1 모듈에서 처리가 완료될 때 웨이퍼를 다음 모듈로 넘기기 위해 웨이퍼 전송 로봇(114)이 이용될 수 있다. 도 1의 폴리셔(10)에 대해 설명되는 바와 같이, 제 1 모듈에서 처리가 완료될 때 웨이퍼를 다음 모듈로 넘기기 위해 제 2 웨이퍼 전송 로봇이 이용될 수 있다. 시스템(110)은 웨이퍼의 특정 폴리싱 필요성을 처리하기 위해 원하는 대로 수많은 모듈(100)을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 모듈은 동일한 종류의 패드 및 현탄액 조합으로 구현될 수도 있고, 고정 연마 기술이 이용될 경우 현탄액없이 구현될 수도 있으며, 웨이퍼가 최종 모듈에서 그 최종 부분 폴리싱을 수용한 후 개별 폴리싱의 누적 효과가 완전히 폴리싱된 웨이퍼를 도출하도록 각각의 웨이퍼가 각 모듈에서 부분적으로 평탄화된다.
대안으로, 서로 다른 패드와 현탄액이 각 모듈에서 사용될 수 있다. 도 1의 폴리셔에 대해 앞서 언급한 바와 같이, 각각의 폴리셔 모듈(100)은 툴 체인저의 이용을 통해 폴리싱 패드 캐리어를 변경할 수 있다. 이 추가적 유연성은 패드 로봇(118)을 이용함으로서 도 8의 시스템에서 얻을 수 있다. 패드 로봇(118)은 각 모듈의 스핀들 드라이브 장치와 협력하여 전체 시스템을 분해할 필요없이 자동적으로 패드간을 변환할 수 있다. 새 패드(120)와 구 패드(122)에 대해 다-구획 패드 캐리어 헤드 저장소가 각 모듈에 인접하게 위치할 수 있어서, 구 패드에 부착된 패드 캐리어 헤드를 새 패드를 가진 패드 캐리어 헤드로 효율적으로 교체할 수 있다. 간단한 바코드 스캔 기술처럼 카탈로그 메카니즘을 이용함으로서, 여러 다른 종류의 패드를 가지는 웨이퍼 패드 캐리어가 카탈로그화될 수 있고 각 모듈에 놓여서,수많은 조합의 패드가 시스템(100)에서 나타날 수 있다.
평탄화 후, 제 2 웨이퍼 로봇(116)은 세척 및 버퍼링을 위해 여러 후기 CMP 모듈(124)에 웨이퍼를 넘길 수 있다. 후기 CMP 모듈은 회전 버퍼, 이중 변 스크러버, 또는 그 외 다른 후기 CMP 장치일 수 있다. 제 3 웨이퍼 로봇(126)은 후기 CMP 모듈로부터 각각의 웨이퍼를 제거하고, 폴리싱 및 세척이 완료될 때 출력 카셋에 이를 위치시킨다.

Claims (20)

  1. 반도체 웨이퍼 폴리셔(polisher; 즉, 폴리싱 장치)로서,
    상기 반도체 웨이퍼 폴리셔는 회전가능한 웨이퍼 캐리어, 회전가능한 폴리싱 패드 캐리어, 그리고 회전가능한 패드 드레싱 장치를 포함하고,
    이때 상기 웨이퍼 캐리어에는 반도체 웨이퍼를 탈착가능하게 보지하기 위한 웨이퍼 수용면이 있고,
    상기 폴리싱 패드 캐리어에는 웨이퍼 수용면에 평행하게 폴리싱 패드가 배열되며, 반도체 웨이퍼에 대해 다수의 부분적으로 겹치는 위치에 폴리싱 패드를 이동가능하게 위치시키도록 상기 폴리싱 패드가 설정되며, 이때 폴리싱 패드는 반도체 웨이퍼의 한 면 일부와 접촉하고 이에 대해 회전하며,
    상기 패드 드레싱 장치에는 폴리싱 패드 조건설정 물질을 포함하는 면이 있고, 폴리싱 패드 드레싱 장치의 면은 웨이퍼 캐리어 상의 반도체 웨이퍼의 면과 동평면에 위치하며, 이때 회전가능한 패드 드레싱 장치는 회전하면서 폴리싱 패드의 제 1 부분과 접촉하며, 이때 상기 패드의 제 2 부분은 반도체 웨이퍼를 폴리싱하는, 이상의 사항을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 폴리셔.
  2. 제 1 항에 있어서, 회전가능한 상기 폴리싱 패드 캐리어는 반도체 웨이퍼에 대해 선형, 반경방향 방향으로 폴리싱 패드를 이동시키도록 설정되는 선형 인덱스 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리싱 패드 캐리어는 스핀들에 탈착가능하게 부착된 폴리싱 패드 캐리어 헤드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  4. 제 3 항에 있어서, 폴리싱 패드 캐리어는 인덱스 메카니즘과 스핀들에 연결된 스핀들 구동 장치를 추가로 포함하고, 이때 상기 스핀들 구동 장치는 스핀들을 회전시키고 반도체 웨이퍼에 대해 폴리싱 패드를 이동시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  5. 제 1 항에 있어서, 회전가능한 웨이퍼 캐리어의 웨이퍼 수용면은 진공 및 가압 유체 중 하나를 수용하기 위한 다수의 유관(fluid orifices)을 포함하고, 이때 반도체 웨이퍼는 상기 웨이퍼 수용면에 탈착식으로 부착가능한 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  6. 제 4 항에 있어서, 폴리싱 패드가 패드 드레싱 면보다는 웨이퍼 면과 더 많이 접촉하는 제 1 위치로부터, 웨이퍼 면보다는 패드 드레싱 면 위에 더 많은 폴리싱 패드 부분이 위치하는 제 2 위치까지, 웨이퍼 면과 패드 드레싱 면과 부분적으로 겹치는 다수의 위치로 폴리싱 패드를 이동시키도록 인덱스 메카니즘이 설정되는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  7. 반도체 웨이퍼의 제어식 영역 폴리싱을 제공하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 회전가능한 웨이퍼 캐리어의 웨이퍼 수용면에 반도체 웨이퍼를 올리고, 그리고 반도체 웨이퍼를 회전시키며, 그리고
    - 회전하는 반도체 웨이퍼에 대해 회전하는 폴리싱 패드 캐리어에 장착된 폴리싱 패드를 부분적으로 겹치는 방식으로 이동시키며, 이때 반도체 웨이퍼의 면 일부만이 폴리싱 패드와 접촉하는,
    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방법은 반도체 웨이퍼 면에 대한 제 2 부분 중복 위치까지 폴리싱 패드를 이동시키는 단계를 추가로 포함하고, 이때 폴리싱 패드는 패드가 이동할 때 반도체 웨이퍼와 계속적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 방법은 반도체 웨이퍼 면에 대한 제 2 부분 중복 위치까지 반도체 웨이퍼의 반경을 따라 폴리싱 패드를 이동시키는 단계를 추가로 포함하고, 이때 폴리싱 패드는 패드가 이동할 때 반도체 웨이퍼와 계속적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 방법은 폴리싱 패드가 반도체 웨이퍼 면 일부와 접촉하고 있을 때 폴리싱 패드 일부에 대해 패드 드레싱 면을 회전시키는 단계를 추가로 포함하고, 이로서, 각각의 회전 중 조건설정 및 세척에 의해 폴리싱 패드가연속적으로 재활성화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 폴리싱 패드는 다수의 부분 중복 위치 각각에서 지정 경로 에 대해 진동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 회전가능한 웨이퍼 캐리어는 반도체 웨이퍼를 고정 평면 위치에 유지시키도록 위치하는 지지체를 포함하고, 이때 회전가능한 웨이퍼 캐리어는 패드 캐리어 장치로부터 폴리싱 압을 수령해도 회전가능한 웨이퍼 캐리어가 휘지 않는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 지지체가 원형 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  14. 제 1 항에 있어서, 폴리싱 패드가 고정 연마 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  15. 제 1 항에 있어서, 폴리싱 패드는 연마 현탄액과 함께 이용하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  16. 제 1 항에 있어서, 패드 드레싱 장치의 폴리싱 패드 조건설정 물질은 다수의평행배치된 물질 섹션을 포함하고, 이때 각각의 물질 섹션은 서로 다른 물질 조성을 취하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  17. 제 1 항에 있어서, 폴리싱 패드 조건설정 장치의 표면은 폴리싱 패드의 폴리싱 면에 대해 유체를 전송하도록 위치하는 한개 이상의 유체 전송 관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  18. 제 6 항에 있어서, 다수의 부분 중복 위치 각각에 선형으로 폴리싱 패드 장치를 진동시키도록 상기 선형 인덱스 메카니즘이 동작가능한 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리셔는 폴리싱 패드 장치와 통신하는 프로세서, 반도체 웨이퍼에 인접하게 위치하는 내부 종료점 감지기, 그리고 프로세서에 대한 명령을 내장한 메모리를 추가로 포함하고, 이때 프로세서는 내부 종료점 감지기로부터의 정보를 바탕으로 하여 선형 인덱싱을 실시하도록 폴리싱 패드 장치에 명령하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
  20. 제 1 항에 있어서, 회전가능한 웨이퍼 캐리어는, 웨이퍼 리프팅 샤프트가 웨이퍼 캐리어 장치 내로 움푹 들어간 제 1 위치와, 웨이퍼 리프팅 샤프트가 회전가능한 웨이퍼 캐리어의 웨이퍼 수용면으로부터 멀리 떨어진 제 2 위치 사이에 이동가능하게 위치하는 다수의 웨이퍼 리프팅 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리셔.
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