KR200257887Y1 - 화학기계연마장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 화학기계연마장치를 개시한다. 이에 의하면, 웨이퍼의 후면을 가압하기 위한 질소 가스를 공급하는 홀들이 탑링의 헤드에 모다 많은 수량으로 형성된다. 또한, 상기 질소 가스가 4개의 가스 공급라인으로부터 상기 홀들을 거쳐 상기 반도체 웨이퍼에 공급된다.

따라서, 상기 웨이퍼의 후면 전체에 가압하는 질소 가스의 압력이 균일하게 분산되므로 상기 웨이퍼의 표면 평탄도가 향상된다.

Description

화학기계연마장치{Chemical Mechanical Polishing Apparatus}

본 고안은 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탑링(Top Ring)의 헤드(Head)에 많은 수의 질소가스 공급용 홀을 형성하여줌으로써 반도체 웨이퍼의 표면 평탄도를 향상시키도록 한 화학기계연마장치에 관한 것이다.

근래에 들어 반도체 디바이스의 집적기술이 급성장하면서 배선 패턴 또는 배선의 미세화가 점점 요구되고, 활성영역을 연결하는 배선간의 거리는 더 좁아질 것이다. 이러한 배선을 형성할 수 있는 공정중의 하나가 포토리소그래피공정이다. 포토리소그래피공정으로 0.5 μm 이하의 폭을 가진 배선을 형성하고자 하는 경우에 광학 시스템이 상대적으로 얕은 초점 깊이를 갖기 때문에 스테퍼로 초점을 맞추어패턴을 결상시킬 표면은 가능한 평탄해져야 한다.

따라서, 포토리소그래피공정에서 정확한 공정 마진을 확보하기 위해서는 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하여야 한다. 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 통상적인 방법 중의 하나가 화학기계연마장치로 반도체 웨이퍼를 연마하는 것이다.

상기 화학기계연마장치는 일반적으로 연마포가 상부면에 부착되어 있는 턴테이블(Turn Table) 및 상기 턴테이블에 일정한 압력을 가하는 탑링(Top Ring)을 포함한다. 연마할 반도체 웨이퍼는 상기 연마포 상에 놓여 탑링과 턴테이블 사이에서 클램프되고, 연마포에 연마액이 공급되면서 회로가 형성된 반도체 웨이퍼의 전면이 화학적으로 또한 기계적으로 연마된다. 이러한 공정을 화학기계연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정이라고 한다.

연마장치는 반도체 웨이퍼의 표면을 고도로 평탄화하는 성능을 구비하는 것이 요구된다. 따라서, 바람직하게는 고정 표면, 즉 반도체 웨이퍼를 고정하는 탑링의 하단 표면과 반도체 웨이퍼와 접촉 유지되는 연마포의 상부 표면, 즉 연마포가 부착된 턴테이블의 표면이 고도의 정밀한 평탄도를 가져야 하므로 고도로 정밀하게 평탄화된 턴테이블의 표면 및 고정 표면이 사용되었다. 또한, 탑링의 하부 표면 및 턴테이블의 상부 표면은 서로 평행한 것이 바람직하며 이러한 평행한 표면이 사용되어야 한다.

연마 대상인 반도체 웨이퍼가 전면 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 것이 아니다. 따라서, 탑링으로부터 연마될 반도체 웨이퍼에 가해지는 압력이 반도체 웨이퍼의 전면 전체에 걸쳐 균일하게 하기 위해서는 반도체 웨이퍼를 고정하는 탑링의고정 표면에 폴리우레탄 등으로 제조된 탄성 패드를 부착하려는 시도가 있었다. 탄성 패드에 의해 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력이 균일해지면, 반도체 웨이퍼가 국부적으로 연마되는 것이 방지되므로 반도체 웨이퍼의 연마된 표면의 평탄도가 향상된다.

하지만, 탄성 패드의 탄성에 의해 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력을 균일하게 하는 방법으로 연마된 반도체 웨이퍼의 평탄도를 향상시키는데에는 한계가 있다.

또한, 반도체 웨이퍼를 고정하는 탑링의 고정 표면을 고무와 같은 탄성재질로 만들어진 다이어프램(Diaphragm)으로 하고 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력이 반도체 웨이퍼의 전면에 걸쳐 균일해지도록 다이어프램의 반대쪽에도 공기압력과 같은 유체압력을 가하려는 시도가 있었다. 그 고정 표면으로서 다이어프램이 사용된 탑링은 반도체 웨이퍼를 고정하는 다이어프램의 외주면 가장자리에 배치된 가이드 링을 포함한다.

종래의 화학기계연마장치는 탑링에 의해 고정된 반도체 웨이퍼를 연마액을 연마포에 공급하면서 턴테이블의 패드에 가압됨으로써 반도체 웨이퍼의 표면을 연마, 평탄화한다. 이때, 상기 반도체 웨이퍼는 상기 반도체 웨이퍼의 후면에 가해지는 상기 탑링의 헤드의 압력과, 상기 헤드의 질소 공급용 홀들을 거쳐 상기 웨이퍼의 후면으로 공급되는 질소가스의 압력에 의해 상기 턴테이블의 연마포에 압착되면서 연마된다.

그런데, 종래의 화학기계연마장치에서는 상기 홀들이 상기 헤드의 중앙부에서 가장자리부로 가면서 각각의 원주를 따라 1, 4, 4, 8, 4, 8, 8개씩 형성된다. 상기 홀들은 상기 반도체 웨이퍼의 연마에 영향을 주므로 상기 홀들은 상기 반도체 웨이퍼의 연마를 위해 적절하게 배치된다.

그러나, 종래의 화학기계연마장치의 경우, 상기 헤드의 홀들 전체의 수량이 37개 정도로 비교적 적기 때문에 상기 웨이퍼의 후면 전체에 상기 질소가스의 압력을 균일하게 분산하기가 어렵다. 이로써, 상기 웨이퍼의 전면에 대해 균일한 연마 두께를 얻는데 한계가 있고 나아가 후속의 정밀 공정을 진행하는데 어려움이 가중된다.

따라서, 본 고안의 목적은 탑링 헤드의 질소가스 공급용 홀들의 배치 및 수량을 개선하여 반도체 웨이퍼의 표면 평탄도를 향상시키도록 한 화학기계연마장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안에 의한 화학기계연마장치를 나타낸 구성도.

도 2는 도 1의 헤드에 형성된 질소가스 공급용 홀을 나타내기 위한 저면도.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 의한 화학기계연마장치는

반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 패드가 부착된, 회전 가능한 턴테이블; 및

상기 반도체 웨이퍼를 고정하며 상기 반도체 웨이퍼를 상기 턴테이블에 대해 가압하며, 상기 반도체 웨이퍼를 가압하기 위한 소정의 가스를 상기 반도체 웨이퍼로 공급하기 위한 홀들이 형성된 헤드와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 헤드로부터이탈하는 것을 방지하기 위해 상기 헤드의 저면 가장자리에 설치된 가이드 링을 갖는 탑링을 포함하는 화학기계연마장치에 있어서,

상기 홀들이 상기 질소 가스의 압력을 상기 반도체 웨이퍼의 후면 전체에 걸쳐 균일하게 가압하기 위해 소정의 수량으로 배치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 질소 가스가 4개의 가스 공급라인으로부터 상기 홀들을 거쳐 상기 반도체 웨이퍼에 공급된다.

이하, 본 고안에 의한 화학기계연마장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안에 의한 화학기계연마장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 헤드에 형성된 질소가스 공급용 홀들을 나타낸 저면도이다.

도 1을 참조하면, 본 고안의 화학기계연마장치는 원형의 회전 가능한 턴테이블(10)과, 상기 턴테이블(10) 상에 반도체 웨이퍼(1)를 고정하고 상기 턴테이블(10)에 대해 상기 반도체 웨이퍼(1)를 가압하는 탑링(20)을 갖는다.

여기서, 상기 턴테이블(10)은 상기 턴테이블(10)의 수직 축선을 이루는 샤프트(11)를 통하여 연결된 턴테이블용 구동 모터(도시 안됨)에 의해 화살표(A)의 방향으로 회전한다. 상기 턴테이블(10)의 상부면에는 연마포인 패드(13)가 부착된다. 상기 턴테이블(10)의 재질로는 안정한 연마율을 유지하기 위해 세라믹과 같은 양호한 열 전도성을 가진 재질이 사용된다. 상기 세라믹은 알루미나 세라믹 또는 실리콘 카바이드를 포함하는 것이 바람직하며, 그러한 물질은 양호한 열전도 계수를 갖는 것이 요망된다.

또한, 상기 탑링(20)은 헤드(21)와 가이드링(23)을 가지며, 탑링용 구동 모터(도시 안됨) 및 상승/하강 실린더(도시 안됨)에 연결된다. 상기 헤드(21)는 세라믹 재질로 구성되며, 상기 상승/하강 실린더에 의해 화살표(B)의 방향으로 수직 상승/하강 가능하고, 상기 상승/하강 실린더의 축을 중심으로 하여 화살표(C)의 방향으로 회전 가능하다. 따라서, 상기 헤드(21)가 상기 반도체 웨이퍼(1)를 상기 패드(13)에 대해 소망하는 압력으로 가압할 수 있다. 상기 헤드(21)의 저면에 상기 반도체 웨이퍼(1)를 진공상태 하에서 고정시키는 고정 기구(도시 안됨)가 배치된다.

또한, 홀들(25)이 상기 헤드(21)를 수직 관통하도록 형성된다. 상기 가이드 링(23)은 상기 헤드(21)의 저면 외주 가장자리를 따라 설치되어서 상기 헤드(21)의 저면으로부터 상기 반도체 웨이퍼(1)가 이탈하는 것을 방지한다.

연마액 공급 노즐(30)이 상기 턴테이블(10)의 상측으로 일정 거리를 두고 배치되어 연마 입자를 포함하는 연마액을 상기 패드(11)에 공급한다.

가스 공급라인(40)이 상기 헤드(20)의 가스 유입구에 연결된다. 따라서, 가압용 가스, 예를 들어 질소(N₂) 가스가 상기 가스 공급라인(40)과 상기 홀들(25)을 통하여 상기 반도체 웨이퍼(1)의 후면을 가압한다. 상기 가스 공급라인(40)은 도면에 2개만이 존재하는 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 2개 더 존재한다.

프레임(50)이 상기 턴테이블(10)의 주위를 따라 설치되어 상기 턴테이블(10)로부터 배출되는 연마액을 수집한다. 상기 프레임(50)의 하부에 상기 수집된 연마액을 배수하기 위한 배수로(51)가 설치된다. 한편, 미설명 부호 60은 세라믹과 같은 고강도의 재질로 구성된 베어링 볼이다.

이와 같이 구성되는 본 고안의 화학기계연마장치의 경우, 반도체 웨이퍼(1)가 탑링(20)의 헤드(21)의 저면에 고정되고, 턴테이블(10)의 패드(13)에 대해 가압된다. 즉, 상기 헤드(21)가 상기 반도체 웨이퍼(1)의 후면을 가압하고, 또한 상기 질소 가스가 기존의 2개 가스 공급라인보다 많은 4개의 가스 공급라인(40)으로부터 상기 헤드(21)의 홀들(25)을 거쳐 상기 반도체 웨이퍼(1)의 후면을 가압한다.

이러한 상태에서, 상기 턴테이블(10)과 헤드(21)가 상대 회전하여 상기 반도체 웨이퍼(1)의 전면과 패드(13)를 미끄럼 접촉시킨다. 이때, 연막액이 연마액 공급 노즐(30)로부터 패드(13)로 공급된다. 상기 반도체 웨이퍼(1)의 전면은 연마액 내의 연마 입자의 기계적 연마작용과 상기 연마액 내의 알칼리성 용액의 화학적 연마작용의 복합 작용에 의해 연마된다. 이때, 상기 반도체 웨이퍼(1)를 연마하기 위해 공급된 연마액은 상기 턴테이블(10)의 회전으로 인한 원심력에 의해 상기 턴테이블(10)의 외측으로 벗어나 프레임(50) 내로 뿌려지고 상기 프레임(50)의 배수로(51)에 의해 수집된다. 상기 반도체 웨이퍼(1)의 소망하는 두께만큼 연마되고 나면, 연마공정이 완료된다.

그런데, 상기 헤드(21)의 홀들(25)이 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 헤드(21)의 저면 중심에서 가장자리를 향해 감에 따라 직경이 커지는 여러개의 원주들 각각에 예를 들어 1, 4, 4, 8, 4, 8, 8개씩 배열되도록 형성되어 있다. 이는종래의 헤드에 37개의 홀이 형성된 것에 비하여 훨씬 많은 수량을 홀들을 갖고 있다.

따라서, 상기 반도체 웨이퍼(1)가 연마될 때, 상기 질소가스의 압력, 예를 들어 200∼400 Kg/cm2의 압력이 상기 반도체 웨이퍼(1)의 후면 전체에 보다 균일하게 분산되므로 상기 반도체 웨이퍼(1)의 후면 전체가 균일한 압력으로 가압되면서 균일한 연마가 이루어질 수가 있다.

따라서, 본 고안은 고집적 반도체소자의 다층배선의 층간절연막을 서브미크론 이하의 평탄도로 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 의한 화학기계연마장치에서는 웨이퍼의 후면을 가압하기 위한 질소 가스 공급용 홀들이 탑링의 헤드에 보다 많은 수량으로 형성된다. 또한, 상기 질소 가스가 4개의 가스 공급라인으로부터 상기 홀들을 거쳐 상기 반도체 웨이퍼에 공급된다.

따라서, 상기 웨이퍼의 후면 전체에 가압하는 질소 가스의 압력이 균일하게 분산되므로 상기 웨이퍼의 표면 평탄도가 향상된다.

한편, 본 고안은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며 본 고안의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (2)

1. 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 패드가 부착된, 회전 가능한 턴테이블; 및

   상기 반도체 웨이퍼를 고정하며 상기 반도체 웨이퍼를 상기 턴테이블에 대해 가압하며, 상기 반도체 웨이퍼를 가압하기 위한 질소 가스를 상기 반도체 웨이퍼로 공급하기 위한 홀들이 형성된 헤드와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 헤드로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해 상기 헤드의 저면 가장자리에 설치된 가이드 링을 갖는 탑링을 포함하는 화학기계연마장치에 있어서,

   상기 홀들이 상기 질소 가스의 압력을 상기 반도체 웨이퍼의 후면 전체에 걸쳐 균일하게 가압하기 위해 소정의 수량으로 배치된 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 질소 가스가 4개의 가스 공급라인으로부터 상기 홀들을 거쳐 상기 반도체 웨이퍼에 공급되는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치.