KR20020095548A - 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 장치의 제조를 위한 화학적 기계적 연마 장치가 개시되고 있다. 수평이동이 가능한 플레이트에 웨이퍼가 놓여진다. 원통 형상을 갖는 연마 패드가 웨이퍼의 표면에 선접촉되도록 이동하여 회전함으로서 웨이퍼의 표면을 연마한다. 슬러리 공급부는 웨이퍼의 표면으로 슬러리를 공급한다. 순수 공급부는 연마된 웨이퍼의 표면으로 순수를 공급한다. 연마 패드 컨디셔너는 연마 패드의 상부에 설치되어 연마 패드에 부착되는 연마 부산물을 제거한다. 따라서, 웨이퍼의 표면을 균일하게 연마할 수 있고, 웨이퍼의 대구경화에 용이하게 대응할 수 있으며, 간단한 구성으로 장치의 정비 및 유지 관리가 용이하다.

Description

화학적 기계적 연마 장치{Chemical and Mechanical Polishing Apparatus}

본 발명은 연마 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반도체 기판의 표면을 연마하기 위한 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 상에 집적회로를 제조하는 과정에서 웨이퍼 전면 또는 이면을 평탄화하기 위하여 통상적으로 화학적 기계적 연마 공정을 거치게 된다. 이와 같은 화학적 기계적 연마 공정을 이용한 평탄화 기술은 반도체 집적회로의 집적도가 높아지고 웨이퍼의 대구경화 추세에 따라 더욱 더 중요한 가공 기술로 취급되고 있다.

웨이퍼 표면을 평탄화하는 데 사용되는 화학적 기계적 연마 시스템은 크게 구분하여 웨이퍼 카세트의 장.탈착 장치, 웨이퍼 이동장치, 연마장치, 웨이퍼 세정장치와 이들의 제어장치로 구성된다. 이중에서 연마장치는 웨이퍼를 지지하면서 회전 가압하는 연마헤드, 연마패드가 부착된 연마정반, 및 그 구동기구, 연마패드의 드레싱 기구, 웨이퍼 척면의 세정 기구, 슬러리 공급기구로 구성된다.

기계적 연마에 있어서 웨이퍼 표면의 제거속도는 연마압력과 연마속도에 비례한다. 화학적 기계적 연마장치와 같이 화학적인 작용이 부가된 연마에서는, 여기에 웨이퍼 표면과 슬러리의 화학반응이 부가된다. 웨이퍼 표면의 어느 위치에 대해서도 연마하중, 연마속도, 슬러리의 양, 웨이퍼 면과 연마패드의 마찰, 연마온도 등을 균일하게 할 수 있다면, 광역 평탄화 및 잔류막 두께의 균일화를 달성할 수 있을 것이다. 그러나, 실제로는 앞에서 서술한 인자나 연마패드의 표면상태가 웨이퍼 면내에서 시간에 따라 변화하고, 잔류막 두께가 불균일하게 된다. 그리고, 디싱(dishing)이나 티닝(thinning)이 발생하고, 디바이스의 수율에 영향을 미치게 된다. 이러한 인자를 경험적으로 또는 과학적으로 제어할 필요가 있다.

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마장치를 설명하기 위한 개략적이 구성도이다.

도 1를 참조하면, 회전 및 좌우 이동이 가능한 연마 정반(10)이 구비되고, 연마 정반(10)의 상면에는 연마 패드(12)가 고정된다. 연마 패드(12)의 상부에는 가공하고자 하는 웨이퍼(W)의 표면이 연마 패드(12)를 향하도록 웨이퍼(W)를 파지하는 웨이퍼 캐리어(14)가 구비된다. 상기 웨이퍼(W)는 리테이너 링(16)에 의해 웨이퍼 캐리어(14)에 파지되고, 상기 웨이퍼 캐리어(14)는 상하로 이송되고, 상기 웨이퍼(W)를 고속으로 회전시킬 수 있는 구조로 설계된다. 또한 화학적 연마를 위한 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(18)가 연마 패드(12)의 상부에 구비된다.

상기와 같은 화학적 기계적 연마 장치는 연마하고자 하는 웨이퍼의 표면이 아래를 향하기 때문에 웨이퍼를 핸들링(Handling)하기가 어렵고, 웨이퍼가 회전됨으로 인하여 웨이퍼의 플랫 존(Flat zone) 부위에 슬러리가 축적되고, 웨이퍼의 중앙부로 슬러리를 공급하기가 어렵다.

또한, 웨이퍼와 연마 패드 사이의 압력 조절이 쉽지 않고, 기본적인 소모품 교체 및 장치의 크기가 대형화됨에 따른 정비 시간 증가에 따른 유지 관리의 문제점을 갖는다.

상기와 같은 화학적 기계적 연마에서는 연마 제거량이 1㎛ 이하이며, 연마 후의 표면 평탄도는 0.01㎛ 이하가 요구된다. 따라서, 상기 표면 평탄도를 얻기 위해 웨이퍼를 지지하는 방법 및 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

미국특허 제5,944,590호에는 후면의 외주 부위를 따라 라운딩된 리테이너 링을 구비하는 연마장치가 개시되어 있고, 미국특허 제5,948,204호에는 러버 블레이더(rubber bladder)에 부착되어 연마공정 동안에 웨이퍼를 안전하게 하도록 구성된 링 조립체가 개시되어 있다.

미국특허 제5,664,988호에는 반도체 웨이퍼 연마방법 및 연마장치가 개시되어 있다. 상기 연마장치는 웨이퍼 캐리어 링과 지지링을 구비한다. 일본 특허 공개평 제8-339979호에는 피연마기판 유지장치 및 기판을 연마하기 위한 방법이 개시되어 있다. 상기 피연마기판 유지장치의 가이드 부재는 링 형상으로 형성하고, 그 내측과 외측을 통과하는 통로를 구비한다.

또한, 웨이퍼의 대구경화에 따른 장치의 대형화를 극복하기 위한 노력이 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허등록 제189,970호에 개시된 발명에서는, 연마하고자 하는 웨이퍼의 표면이 위를 향하도록 상기 웨이퍼를 파지하는 스테이지(Stage)와 상기 웨이퍼와 접촉점이 선형운동을 할 수 있도록 고속 회전이 가능한 실린더 형상의 연마 패드를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치가 개시되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있고, 웨이퍼의 대구경화에 따른 부품 교체 및 정비를 용이하게 할 수 있는 구조를 가지는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시한 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 연마 정반 12, 102 : 연마 패드

14 : 웨이퍼 캐리어 16 : 리테이너 링

18, 104 : 슬러리 공급부 100 : 플레이트

106 : 컨디셔너 108 : 순수 공급부

W : 웨이퍼

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼의 표면이 위를 향하도록 상기 웨이퍼가 놓여지고, 상기 웨이퍼의 후면을 흡착하여 수평방향으로 이송되는 플레이트를 포함한다.

상기 연마 장치는 상기 플레이트의 상부에 설치되는 회전축의 외주면을 둘러싸도록 설치되고, 상기 플레이트에 놓여진 상기 웨이퍼의 표면을 연마할 때 상기 웨이퍼의 표면과 선접촉하도록 이동하여 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마 패드를 포함한다.

상기 연마 장치는 상기 연마 패드의 외주면과 접촉되도록 연마 부재의 상부에 설치되어 상기 연마 패드에 부착되는 연마 부산물의 제거하기 위한 연마 부산물 제거부를 포함한다.

상기 연마 장치는 상기 플레이트의 상부에 설치되고, 상기 플레이트 상에 놓여지는 웨이퍼의 표면을 화학적 반응에 의해 연마하는 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함한다.

상기 연마 장치는 상기 플레이트의 상부에 설치되고, 상기 플레이트 상에 놓여지는 웨이퍼의 표면으로 순수를 분사하는 순수 공급부를 포함한다.

상기 연마 패드는 폴리우레탄 재질로 구성되고, 상기 슬러리 공급부는 파이프 형상의 본체에 상기 플레이트를 향하도록 다수개의 홀이 형성되어 있다.

상기 연마 부산물 제거부는 원통 형상의 본체와 상기 몸체의 외주면을 둘러 싸도록 설치되는 다이아몬드 디스크를 포함하고, 상기 순수 공급부는 원통 형상의 본체와 상기 플레이트를 향하도록 설치되는 다수개의 분사 노즐을 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 반도체 웨이퍼(W)가 놓여지는 플레이트(100)가 구비된다. 연마하고자 하는 웨이퍼(W)의 표면이 위를 향하도록 플레이트(100)에 놓여지고, 플레이트(100)의 상부면에는 웨이퍼(W)의 후면을 흡착하기 위한 진공압이 제공되는 다수개의 홀이 형성되어 있다.

그리고, 웨이퍼(W)의 표면을 연마하기 위한 연마 패드(102)가 플레이트(100)의 상부에 구비되고, 공압 실린더(도시되지 않음)에 의해 상하로 구동된다. 연마 패드(102)는 고속으로 회전하는 회전축과 회전축의 외주면을 둘러싸도록 설치되고, 웨이퍼의 표면을 연마할 때 연마 패드(102)의 외주면과 웨이퍼(W)의 표면이 선접촉되도록 이동하여 웨이퍼(W)의 표면을 연마한다. 연마 패드(102)의 길이는 플레이트(100)의 폭보다 크게 형성되어 웨이퍼(W)의 전면을 연마할 수 있도록 형성된다.

이때, 웨이퍼(W)가 놓여지는 플레이트(100)는 수평 방향으로 이송되어 웨이퍼(100)의 전면이 연마되도록 하고, 연마 패드(102)의 회전 속도의 조정과 연마 패드(102)의 상하 위치 조정에 의해 웨이퍼(W)의 연마량이 조절될 수 있도록 한다.

도시된 화살표는 연마 패드(102)의 회전 방향과 플레이트(100)의 이동 방향을 표시한다.

연마 패드(102)는 고무의 탄성과 함께 일반적인 금속의 강도와 내구력을 가지는 폴리우레탄 재질로 구성된다.

그리고, 플레이트(100)의 상부에서 연마 패드(102)를 기준으로 웨이퍼(W)가 이송되어 오는 방향에 웨이퍼(W)의 표면과 화학적인 반응을 일으키는 슬러리 공급부(104)가 배치된다. 슬러리 공급부(104)는 웨이퍼(W)의 표면으로 슬러리를 공급하고, 웨이퍼(W)의 전면에 고르게 슬러리가 공급될 수 있도록 플레이트(100)의 보다 긴 길이를 가지는 원통 형상으로 형성되고, 플레이트(100)를 향하는 다수개의 홀이 구비되어 웨이퍼(W)로 슬러리가 흘러내리도록 한다.

웨이퍼(W)가 놓여지는 플레이트(100)가 수평방향으로 이송되고, 웨이퍼(W)의 위에서 슬러리를 공급함에 따라 웨이퍼(W)의 플랫 존 부위에 슬러리가 누적되는 현상이 없으며, 웨이퍼(W) 중앙부로의 슬러리 공급이 원활하게 이루어진다.

웨이퍼(W)의 표면으로 공급되는 슬러리는 웨이퍼의 표면과 화학 반응을 일으키고, 플레이트(100)의 이동에 따라 연마 패드(102)와 웨이퍼(W)의 접촉 부위로 이동하게 된다. 연마 패드(102)의 표면은 무수히 많은 미공들이 형성되어 있고, 상기 미공들에 슬러리가 수용된다.

그러나, 웨이퍼(W)의 연마가 계속 진행되면 상기 미공들에는 연마로 인한 부산물이 축적되고, 상기 부산물로 인해 광역평탄화 및 웨이퍼간의 평탄화를 달성할 수 없게 되고, 연마 효율이 감소된다.

상기 연마 부산물을 제거하기 위해 연마 패드(102)의 상부에 원통 형상을 가지는 컨디셔너(Conditioner, 106)를 설치한다. 컨디셔너(106)는 연마 패드(102)의 상부에서 공압 실린더(도시되지 않음)에 의해 상하 구동되고, 상기 공압 실린더와 연결되는 원통 형상을 갖는 몸체와 상기 몸체의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 다이아몬드 디스크(Diamond Disk)로 구성된다. 다이아몬드 디스크의 외주면이 연마 패드(102)의 상부에 접촉되어 연마 공정 중에 연마 패드(102)로부터 연마 부산물을 제거한다.

한편, 플레이트(100)의 상부에서 연마 패드(102)를 기준으로 슬러리 공급부(104)에 대향하는 방향으로 순수 공급부(108)가 배치된다. 순수 공급부(108)는 연마 패드(102)에 의해 연마된 웨이퍼(W)의 표면에 순수를 분사함으로서 웨이퍼 표면에 잔류되어 있는 연마 부산물을 일차적으로 제거한다.

순수 공급부(108)는 웨이퍼의 전면에 고르게 순수를 공급하기 위하여 플레이트(100)의 폭보다 긴 길이를 가지는 원통 형상으로 형성되고, 플레이트(100)를 향하는 다수개의 순수 분사 노즐을 구비한다. 상기 순수 분사 노즐의 배치 간격은 0.9cm 내지 1.1cm의 간격으로 배치되고, 상기 순수 분사 노즐로부터 분사되는 순수는 120°이상의 분사각을 가진다.

도 3은 도 2에 도시한 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 평면도이다.

도 3을 참조하면, 웨이퍼(W)를 파지하는 플레이트(100)가 도시되어 있다. 플레이트(100)의 상부면에 웨이퍼(W)가 파지되고, 도시된 화살표 방향으로 이송된다. 플레이트(100)의 폭보다 긴 원통 형상의 연마 패드(102)가 웨이퍼(W)의 표면과 선접촉되도록 설치되어 고속으로 회전한다.

연마 패드(102)의 전방에는 슬러리 공급부(104)가 구비되고, 후방에는 순수 공급부(108)가 구비된다. 그리고, 연마 패드(102)의 상부에는 연마 패드(102)와 접촉되어 회전하는 연마 패드 컨디셔너(106)가 구비된다.

연마하고자 하는 웨이퍼(W)의 표면은 연마 패드(102)의 전방에서 공급되는 슬러리 및 연마 패드(102)의 고속 회전과 플레이트(100)의 수평 이동에 의해 화학적 기계적으로 연마되고, 순수의 공급에 의해 일차적으로 세척된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 연마하고자 하는 웨이퍼의 표면이 위를 향하도록 웨이퍼를 파지함으로서 상기 웨이퍼를 핸들링하기가 용이하고, 고속으로 회전하는 연마 부재를 사용하기 때문에 연마 효율이 상대적으로 우수하고, 웨이퍼와 연마 패드가 선접촉함으로서 광역평탄화를 구현할 수 있고, 연마면이 균일하다.

또한, 연마 부재의 위치 조절이 용이하고, 연마 패드 컨디셔너에 의해 웨이퍼 간의 평탄화를 실현할 수 있고, 웨이퍼의 특정 부위에 대한 연마량을 용이하게 조절할 수 있다. 그리고, 웨이퍼의 플랫 존에 슬러리가 누적되는 현상이 방지되고, 웨이퍼의 상부에서 슬러리를 공급함에 따라 웨이퍼의 전 지역에 고르게 슬러리를 공급할 수 있다. 한편으로 연마 부재의 후방에서 일차적으로 연마 부산물을 제거함으로서 후속 공정에서의 불량률을 감소시킬 수 있다.

그리고, 장치의 구성이 간단해짐에 따라, 자동화 및 웨이퍼의 대구경화에 대한 대응이 용이하고, 정비에 소요되는 시간이 단축되며, 설비 유지 관리가 용이하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼의 표면이 위를 향하도록 상기 웨이퍼의 후면을 흡착하고, 상기 웨이퍼를 흡착한 상태에서 수평방향으로 이송하는 플레이트;

   상기 플레이트의 상부에 설치되는 회전축의 외주면을 둘러싸도록 설치되고, 상기 플레이트에 놓여지는 상기 웨이퍼의 표면을 연마할 때 상기 웨이퍼의 표면과 선접촉하도록 이동하여 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마 패드;

   상기 연마 패드의 외주면과 접촉되도록 연마 패드의 상부에 설치되고, 상기 연마를 수행할 때 상기 연마 패드에 부착되는 연마 부산물을 제거하기 위한 연마 부산물 제거부;

   상기 플레이트의 상부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 표면을 연마할 때 상기 웨이퍼의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부; 및

   상기 플레이트의 상부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 표면을 연마할 때 상기 웨이퍼의 표면으로 순수를 분사하는 순수 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드는 폴리우레탄 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 공급부는 파이프 형상의 본체와, 상기 본체에상기 플레이트를 향하도록 다수개의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 연마 부산물 제거부는 원통 형상의 본체와, 상기 몸체의 외주면을 둘러 싸도록 설치되는 다이아몬드 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 순수 공급부는 원통 형상의 본체와 상기 플레이트를 향하도록 설치되는 다수개의 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.