KR20020088598A - 연마 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학기계적 연마장치 - Google Patents

연마 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학기계적 연마장치 Download PDF

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Abstract

연마 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학 기계적 연마 장치가 개시되어 있다. 그 표면에 다수의 홈이 형성되어 있는 연마 패드를 컨디셔닝한 후, 상기 연마 패드의 홈 프로파일 신호를 검출한다. 상기 홈 프로파일 신호를 참조 패드 프로파일로 변환시킨 후, 상기 참조 패드 프로파일과 표준 패드 프로파일을 비교하여 차기 컨디셔닝 레시피를 설정한다. 연마 패드의 위치별로 컨디셔닝 비율을 재 설정할 수 있으므로 일정 시간 동안 사용자가 원하는 패드 프로파일을 구현할 수 있다.

Description

연마 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학 기계적 연마 장치{Method of conditioning polishing pad and Chemical mechanical polishing apparatus for performing the same}
본 발명은 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; 이하 "CMP"라 한다) 공정 도중에 연마 패드의 프로파일 변화를 확인하고 상기 연마 패드의 위치별로 컨디셔닝용 디스크(disc)의 힘을 변화시킬 수 있는 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 집적도가 증가하면서 다층 배선 공정이 실용화됨에 따라, 사진 공정의 마진을 확보하고 배선 길이를 최소화하기 위하여 칩(chip) 상부의 물질층에 대한 글로벌 평탄화(global planarization) 기술이 요구되고 있다. 현재, 하부 구조물을 평탄화시키기 위한 방법으로는 보론-인-실리케이트 글라스(boro-phospho-silicate glass; BPSG) 리플로우(reflow) 공정, 알루미늄(Al) 플로우 공정, 스핀-온 글라스(spin-on glass; SOG) 에치백(etch-back) 공정 및 CMP 공정 등이 사용되고 있다.
이 중에서, CMP 공정은 리플로우 공정이나 에치백 공정으로 달성할 수 없는 넓은 공간 영역의 글로벌 평탄화 및 저온 평탄화를 달성할 수 있다는 장점 때문에차세대 반도체 장치에서 유력한 평탄화 기술로 대두되고 있다. CMP 공정은 연마 헤드부에 유지된 웨이퍼를 연마 패드 상에 가압하면서 이들 계면에 슬러리(Slurry)를 공급하여 기계적 마찰과 화학적 작용에 의해 웨이퍼의 표면을 소정 두께로 제거하는 기술이다.
도 1은 종래의 CMP 장치의 개략도이다.
도 1를 참조하면, 종래의 CMP 장치는 CMP 장치는 크게 웨이퍼(10)를 지지하기 위한 헤드부(20) 및 상기 웨이퍼(10)를 연마하기 위한 패드부(30)로 구성된다.
웨이퍼(10)가 캐리어(22) 또는 연마 헤드 위에 실장된 후, 웨이퍼(10)의 노출된 표면이 회전하는 연마 패드(32)를 마주보도록 놓여진다. 캐리어(22)는 웨이퍼(10)를 연마 패드(32)에 밀어 붙이도록 웨이퍼(10) 상에 압력을 가한다. 연마 패드(32)가 부착된 연마 플레이트(34)가 회전함에 따라 웨이퍼(10)가 캐리어(22)의 밑으로부터 끌어 당겨지게 되므로, 이러한 문제를 제거하기 위하여 캐리어(22)는 하방으로 돌출된 리테이너 링(retainer ring)(24)을 구비한다. 리테이너 링은 웨이퍼(10)의 엣지 주위에 원주형으로 신장되며, 웨이퍼(10)를 캐리어(22)의 밑에 유지시키는 리세스(recess)를 형성한다.
슬러리 공급 노즐(40)을 통해 상기 연마 패드(32)의 홈 위에 슬러리(42)가 공급되고, 이와 동시에 연마 패드(32)가 일정한 속도로 회전하며 캐리어(22)은 웨이퍼(10)를 연마 패드(32)에 밀어붙이도록 웨이퍼(10) 상에 하중(down force)을 가한다. 그러면, 상기 연마 패드(32)의 표면에 형성되어 있는 다수의 홈(groove)(36)들을 통해 상기 슬러리(42)가 웨이퍼(10)의 표면과 접촉하여 웨이퍼(10) 상에 침적되어 있는 막을 연마하게 된다. 이때, 연마 패드(32)의 표면과 웨이퍼(10)의 표면은 마찰에 의한 기계적 반응을 일으키고, 슬러리(42)는 웨이퍼(10)에 침적된 막과 화학적 반응을 일으킨다.
이러한 연마 과정을 진행할 때 상기 연마 패드(32)의 홈(36)에 슬러리(42)가 균일하게 유입되어야만 연마 속도(removal rate) 및 균일성(uniformity) 특성이 양호해진다. 그러나, 연마 후 연마 패드(32)의 표면 및 홈(32) 내부에 오염 물질 및 잔류 슬러리가 남아있게 되는데, 이러한 여러 가지 이물질을 제거하기 위해 연마 전(pre polishing) 또는 연마 도중에 다이아몬드 입자가 부착된 디스크(50)를 일정 압력으로 회전시키면서 상기 연마 패드(32)의 표면을 컨디셔닝(conditioning)한다. 이때, 패드 컨디셔닝은 연마 플레이트(34) 위에 부착된 연마 패드(32)와 디스크(50)를 동일 방향으로 회전시키면서 행해진다.
따라서, 컨디셔닝용 디스크(50)는 연마 패드(32)의 홈 프로파일을 결정하는 요소이며, 상기 연마 패드(32)의 홈 프로파일은 연마 속도 및 균일성에 많은 영향을 미치게 된다. 즉, 홈 프로파일이 균일할 경우에는 홈(36) 안에 슬러리(42)가 균일하게 유입되어 웨이퍼(10) 상에서 전체적으로 균일한 두께를 얻을 수 있는 반면, 홈 프로파일이 불균일할 경우에는 웨이퍼(10)의 특정 부분에서 연마 속도가 현저하게 높아지거나 낮아지게 되어 균일성 특성이 악화된다. 이것은 홈 프로파일이 불균일해질 경우, 슬러리(42)의 유입량이 연마 패드(32) 전체에 일정하지 않게 되고 이로 인해 웨이퍼(10)의 연마량이 일정하지 않게 되기 때문이다. 따라서, 패드 컨디셔닝은 CMP의 균일성 특성에 영향을 미치는 중요한 요인이 된다.
도 2는 종래 방법에 의한 패드 컨디셔닝 시스템을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 2를 참조하면, 종래의 패드 컨디셔닝 방법에 의하면, 기 설정된 컨디셔닝 레시피를 메인 컴퓨터에서 변환기로 송신한다(단계 S1). 다음에, 상기 변환기에서 수신된 전기 신호를 에어(air)로 변환하여 디스크 구동부로 전달한다 (단계 S2). 그리고, 상기 디스크 구동부에서 디스크를 일정 압력으로 힘을 가하면서 RPM(revolution per minute) 구동시켜 컨디셔닝을 수행한다 (단계 S3).
상술한 종래의 패드 컨디셔닝 시스템은 연마 패드의 표면 상태를 시시각각으로 인지하여 그때마다 디스크 힘을 결정하는 것이 아니라 미리 정해져 있는 레시피(recipe)로 디스크 힘을 제어하기 때문에, 시간이 경과함에 따라 연마 패드의 위치별로 홈의 깊이가 달라질 수 있다. 즉, 초기 컨디셔닝 레시피를 정할 때 시간에 따른 패드 프로파일의 변화를 고려하지 않기 때문에, 일정 시간이 경과한 후 도 3에 도시한 바와 같이 연마 패드(32)의 엣지에서 홈(36)의 깊이가 센터에 비해 훨씬 높게 나타난다. 이것은 패드 엣지의 컨디셔닝 능력이 센터에 비해 떨어진다고 해석할 수 있다.
컨디셔닝이란 연마 후 연마 패드의 표면에 존재하는 이물질들을 제거하여 슬러리가 연마 패드의 홈으로 원할하게 유입되도록 하는 공정이므로, 컨디셔닝 능력이 떨어진다는 것은 슬러리 유입량이 상대적으로 적어져서 연마량이 적어진다는 것을 의미한다. 따라서, 웨이퍼(10) 상에 침적되어 있는 막의 두께가 웨이퍼의 센터에서는 높고 엣지에서는 낮아지는 현상이 발생하여 CMP 균일성이 악화되며, 연마패드의 사용이 누적됨에 따라 웨이퍼(10)의 엣지 특성이 나빠져서 수율 저하(yield down)를 초래하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 연마 패드를 교체하여 새로운 연마 패드를 사용하여야 하는데, 연마 패드의 홈 깊이가 균일하게 유지될 수 있다면 연마 패드의 사용량 증가를 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이 연마 패드의 프로파일 변화는 디스크의 컨디셔닝 조건에 의해 초래되므로, 연마 과정 중에 연마 패드의 프로파일 변화를 확인하고 이를 바탕으로 디스크의 컨디셔닝 조건을 조절할 수 있는 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명의 제1의 목적은 CMP 공정 도중에 연마 패드의 프로파일 변화를 확인하고 상기 연마 패드의 위치별로 컨디셔닝용 디스크의 힘을 변화시킬 수 있는 패드 컨디셔닝 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2의 목적은 상술한 패드 컨디셔닝 방법을 수행할 수 있는 CMP 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 개략도이다.
도 2는 종래 방법에 의한 패드 컨디셔닝 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 3은 도 1에 도시한 종래의 화학적 기계적 연마 장치에서 일정 시간이 경과한 후 패드 프로파일의 변화를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 패드 컨디셔닝 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 패드 컨디셔닝 시스템에 있어서 패드 프로파일의 분석방법을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 화학 기계적 연마 장치의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 웨이퍼120 : 연마 헤드부
122 : 캐리어124 : 리테이너 링
130 : 연마 패드부132 : 연마 패드
134 : 연마 플레이트136 : 홈
140 : 슬러리 공급노즐142 : 슬러리
152 : 디스크154 : 패드 센서
상기한 제1의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 그 표면에 다수의 홈이 형성되어 있는 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계; (b) 상기 연마 패드의 홈 프로파일 신호를 검출하는 단계; (c) 상기 홈 프로파일 신호를 참조 패드 프로파일로 변환시키는 단계; 및 (d) 상기 참조 패드 프로파일과 표준 패드 프로파일을 비교하여 차기 컨디셔닝 레시피를 설정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법을 제공한다.
상기한 제2의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 그 표면에 다수의 홈이 형성되어 있는 연마 패드; 연마 대상물을 유지하면서 상기 연마 패드 상에 상기 연마 대상물의 연마면을 압박하는 캐리어; 상기 연마 패드를 컨디셔닝하기 위한 디스크; 및 상기 디스크의 헤드부에 설치되고 상기 연마 패드의 홈 깊이를 검출하기 위한 패드 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 연마 패드의 홈 깊이를 검출할 수 있는 패드 센서가 장착된 디스크를 이용하여 패드 컨디셔닝을 수행한 후, 인-시튜로 연마 패드의 위치별 홈 깊이를 측정하여 패드 프로파일을 정한다. 이어서, 상기 패드 프로파일을 표준 프로파일과 비교하여 연마 패드의 각 위치별로 컨디셔닝 비율을 재 설정함으로써 차기 컨디셔닝 레시피를 만든다. 이렇게 만들어진 차기 레시피는 메인 컴퓨터를 통해 다시 디스크 구동부에 전달되므로, 일정 시간 동안 사용자가 원하는 패드 프로파일을 구현할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 패드 컨디셔닝 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 패드 컨디셔닝 시스템은 종래와 마찬가지로 메인 컴퓨터에서 컨디셔닝 명령을 하고 이것을 전달받은 디스크가 컨디셔닝을 수행하지만, 모든 단계가 인-라인 폐쇄 루프로 수행된다.
즉, 초기에 설정된 컨디셔닝 레시피를 메인 컴퓨터에서 변환기로 송신한 후(단계 S11), 상기 변환기에서 수신된 전기 신호를 에어(air)로 변환하여 디스크 구동부로 전달한다(단계 S12). 이어서, 상기 디스크 구동부에서 디스크를 일정 압력으로 힘을 가하면서 RPM 구동시켜 상기 초기 레시피를 이용하여 연마 패드의 표면을 컨디셔닝한다(단계 S14). 이때, 상기 디스크의 헤드에 설치되어 있는 패드 센서를 이용하여 상기 연마 패드의 홈 프로파일 신호를 검출한다(단계 S16). 상기 연마 패드의 컨디셔닝과 상기 홈 프로파일 신호의 검출은 인-시튜로 이루어진다.
이와 같이 얻어진 홈 프로파일 신호를 해석하여 상기 연마 패드의 위치별로 연마 패드의 홈 깊이를 측정하고, 각각의 신호를 접합함으로써 최종적인 패드 프로파일을 얻는다(단계 S18). 이를 참조(reference) 패드 프로파일로 정한 후, 사용자가 원하는 표준(standard) 패드 프로파일과 상기 참조 패드 프로파일을 비교하여 그 차이점을 상기 연마 패드의 위치별로 나누어 각 위치에 대한 컨디셔닝 비율을 정하여 차기 컨디셔닝 레시피를 만든다(단계 S20). 이렇게 만들어진 차기 컨디셔닝 레시피와 초기의 컨디셔닝 레시피와의 차이점은 패드의 위치별 컨디셔닝 비율이다.
상술한 단계들을 거쳐 만들어진 차기 컨디셔닝 레시피를 다시 메인 컴퓨터로 전송하고, 상기 메인 컴퓨터를 통해 디스크 구동부로 상기 레시피를 전달한다. 이와 같이 S10 단계부터 S20 단계를 반복적으로 수행하면, 연마 패드의 위치별로 컨디셔닝 비율을 재 설정할 수 있으므로 일정 시간 동안 사용자가 원하는 패드 프로파일을 구현할 수 있게 된다. 따라서, 연마 패드의 수명을 증가시킬 수 있으며, 컨디셔닝 조건 설정시간을 단축하여 원가를 절감하고 설비 가동율을 향상시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 패드 컨디셔닝 시스템에 있어서 패드 프로파일의 분석방법을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 5a를 참조하면, 초기 컨디셔닝 레시피를 이용하여 연마 패드(132)에 대한 컨디셔닝을 수행한 후, 컨디셔닝용 디스크의 헤드부에 설치되는 패드 센서(154)를 이용하여 상기 연마 패드(132)의 홈 프로파일 신호를 검출한다.
도 5b를 참조하면, 상기 홈 프로파일 신호를 해석하여 연마 패드(132)의 위치별로 홈 두께를 측정한다. 일정 구간별 홈의 평균값과 홈의 최소값을 산출한 후, 이를 이용하여 컨디셔닝에 의해 제거해야 할 연마 패드의 면적을 힘과 시간의 함수로 변환시킨다. 그러면, 연마 패드의 위치별로 컨디셔닝 비율이 결정되므로 이것이 차기 컨디셔닝 레시피가 된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 CMP 장치의 개략도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 CMP 장치는 크게 웨이퍼 로딩/언로딩부, 웨이퍼(100)를 지지하기 위한 헤드부(120), 상기 웨이퍼(100)를 연마하기 위한 패드부(130), 연마에 사용되는 슬러리 공급부 및 연마 패드(132)를 컨디셔닝하기 위한 디스크(152)로 구성된다.
상기 연마 헤드부(120)는 웨이퍼(100)가 실장되는 캐리어(122), 상기 웨이퍼(100)가 연마 중에 이탈하는 것을 방지하는 리테이너 링(124) 및 상기 웨이퍼(100)를 진공 흡착하기 위한 웨이퍼 척(도시하지 않음)을 구비한다.
상기 연마 패드부(130)는 지지대에 회전 가능하게 설치된 연마플레이트(134), 상기 연마 플레이트를 회전시키기 위한 구동 벨트 및 상기 연마 플레이트(134)의 상면에 부착된 연마 패드(132)를 구비한다. 통상적으로, 연마 플레이트(134)의 직경은 웨이퍼(100) 직경의 2배 이상의 사이즈를 가진다. 따라서, 연마 플레이트(134)의 엣지와 캐리어(122)의 엣지가 일치하는 위치가 시작위치로 제공되고, 이 시작위치로부터 중심부 쪽으로 캐리어(122)가 약간 수평 이동하여 작업 위치가 설정된다.
상기 디스크(152)는 원형 디스크 몸체에 다이아몬드 입자가 부착되어 형성되며, 그 헤드부에 상기 연마 패드(132)의 홈 프로파일 신호를 검출하기 위한 패드 센서(154)가 설치되어 있다. 바람직하게는, 상기 패드 센서(154)는 자외선 센서이다.
웨이퍼(100)가 진공 흡착 방식으로 캐리어(122)의 상부에 실장되면, 캐리어(122)은 웨이퍼(100)를 연마 패드(132)에 밀어붙이도록 웨이퍼(100) 상에 하중(down force)을 가한다. 한편, 연마제(abrasive)와 적어도 하나의 화학반응제를 포함하는 슬러리(140)는 슬러리 공급관(142)을 통해 연마 패드(132) 위에 뿌려져서 연마 패드(132)의 홈(136)들을 통해 웨이퍼(100)의 표면에 연마화학 용액을 공급한다. 슬러리(140) 내의 반응제는 웨이퍼(100)의 외부 표면과 화학적으로 반응하여 반응 사이트를 형성한다. 이러한 반응 사이트들과 함께 연마 패드(132)와 연마 입자들의 상호 작용(즉, 기계적 마찰)에 의해 연마가 진행된다.
이어서, 연마 이후 연마 패드(132)의 표면 및 홈(136) 내에 잔류하는 여러 가지 이물질을 제거하기 위해 디스크(152)를 일정 압력으로 회전시키면서 상기 연마 패드(132)의 표면을 컨디셔닝한다. 이때, 패드 컨디셔닝은 연마 플레이트(134) 위에 부착된 연마 패드(132)와 디스크(152)를 동일 방향으로 회전시키면서 행해진다.
이어서, 상기 디스크(152)의 헤드부에 장착된 패드 센서(154)를 이용하여 상기 연마 패드(132)의 홈 프로파일 신호를 검출한 후, 상기 신호를 해석하여 차기 컨디셔닝 레시피를 설정하고 이를 디스크 구동부에 전달한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 연마 패드의 홈 깊이를 검출할 수 있는 패드 센서가 장착된 디스크를 이용하여 패드 컨디셔닝을 수행한 후, 인-시튜로 연마 패드의 위치별 홈 깊이를 측정하여 패드 프로파일을 정한다. 이어서, 상기 패드 프로파일을 표준 프로파일과 비교하여 패드의 각 위치별로 컨디셔닝 비율을 재 설정함으로써 차기 컨디셔닝 레시피를 만든다. 이렇게 만들어진 차기 레시피는 메인 컴퓨터를 통해 다시 디스크 구동부에 전달되므로, 일정 시간 동안 사용자가 원하는 패드 프로파일을 구현할 수 있다.
따라서, 컨디셔닝 조건을 설정하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않으므로, 공정의 변화없이 컨디셔닝 조건을 조절할 수 있다. 또한, 연마 패드의 수명을 증가시킬 수 있으며, 컨디셔닝 조건 설정시간을 단축하여 원가를 절감하고 설비 가동율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 그 표면에 다수의 홈이 형성되어 있는 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계;
    (b) 상기 연마 패드의 홈 프로파일 신호를 검출하는 단계;
    (c) 상기 홈 프로파일 신호를 참조 패드 프로파일로 변환시키는 단계; 및
    (d) 상기 참조 패드 프로파일과 표준 패드 프로파일을 비교하여 차기 컨디셔닝 레시피를 설정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 홈 프로파일 신호를 해석하여 상기 연마 패드의 위치별로 상기 연마 패드의 홈 깊이를 측정하는 단계와, 각각의 신호를 접합하여 패드의 홈 프로파일을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 참조 패드 프로파일과 상기 표준 패드 프로파일 상의 차이점을 상기 연마 패드의 위치별로 나누어 각 위치에 대한 컨디셔닝 비율을 정하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계부터 상기 (d) 단계를 인-시튜로 진행하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계부터 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔닝 방법.
  6. 그 표면에 다수의 홈이 형성되어 있는 연마 패드;
    연마 대상물을 유지하면서 상기 연마 패드 상에 상기 연마 대상물의 연마면을 압박하는 캐리어;
    상기 연마 패드를 컨디셔닝하기 위한 디스크; 및
    상기 디스크의 헤드부에 설치되고 상기 연마 패드의 홈 깊이를 검출하기 위한 패드 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 패드 센서는 자외선 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
KR1020010027353A 2001-05-18 2001-05-18 연마 패드 컨디셔닝 방법 및 이를 수행하기 위한 화학기계적 연마장치 KR20020088598A (ko)

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