KR20030039606A

KR20030039606A - 화학기계적 연마장치의 연마패드 컨디셔닝 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030039606A
Application number: KR1020010070572A
Authority: KR
Inventors: 윤정구; 박주영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-05-22
Also published as: US20030092357A1; KR100449630B1; US6572454B1; JP2003151935A

Abstract

본 발명은, 연마장치의 회전정반에 구비된 연마패드의 표면을 컨디셔닝하기 위한 장치에 있어서, 상기 연마패드의 표면과 거의 수직방향으로 설치되며, 끝단에 연삭팁을 구비한 바이트와, 상기 바이트의 위치를 상기 연마패드 표면과 거의 수평방향으로 이동시키기 위한 수평이동수단와, 상기 회전정반의 일측에 배치되며, 상기 수평이동수단을 지지하기 위한 베이스부와, 상기 바이트의 위치를 상하로 조절하기 위한 수직이동수단을 구비한 연마패드 컨디셔닝 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연삭팁을 갖는 바이트를 연마패드 측면에 평탄화시킬 정도로 상하위치를 조절하므로써 정밀한 절삭량 조정이 가능하며, 연마패드를 중심을 축으로 하여 회전시키면서 상기 바이트를 연마패드의 반경만큼 일정한 속도로 이동시킴으로써 고속으로 전체 표면을 균일하게 가공할 수 있는 잇점이 있다.

Description

화학기계적 연마장치의 연마패드 컨디셔닝 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONDITIONING A POLISHING PAD USED IN A CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING SYSTEM}

본 발명은 연마패드의 컨디셔닝 장치 및 컨디셔닝 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing:이하 'CMP'라 칭함)에 사용되는 연마패드(polishing pad)를 컨디션닝(conditioning)하기 위한 장치 및 컨티셔닝하는 방법에 관한 것이다.

CMOS소자와 같은 반도체 디바이스를 제조하기 위한 공정에서는, 웨이퍼의 표면 평탄도를 개선하기 위해 에치백(etchback)공정과 화학기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing)공정 중 하나를 선택하여 사용이 채용된다. 일반적으로, 보다 정밀한 평탄도를 얻기 위해서는 에치백공정보다 CMP공정이 주로 사용된다.

CMP공정이란, 연마패드에 의한 기계적 연마와 연마 슬러리에 의한 화학적 연마를 동시에 수행함으로써 웨이퍼 표면을 화학기계적으로 연마하는 공정을 말한다. 그러나, 연마공정이 진행됨에 따라 연마패드가 마모됨에 따라 연마패드의 평탄화가불량해지게 된다. 이로 인해 CMP 공정의 궁극적 목표인 웨이퍼내의 광역 평탄화와 웨이퍼간의 평탄화 등을 달성할 수 없게 된다.

이와 같이 불량해진 평탄도를 갖는 연마패드를 원상태로 재생(rework)시키기 위해 컨디셔너(conditioner)가 이용되며, 이러한 공정을 컨디셔닝(conditioning)이라 한다.

도 1a 및 1b는 각각 종래의 다이아몬드 컨디셔너 링 및 연마패드 컨디셔닝방식을 나타내는 개략도이다.

도1a를 참조하면, 다이아몬드 컨디셔너 디스크(10)는 스테인레스 스틸 등으로 이루어진 몸체부(2)의 하면에 니켈 또는 크롬 등의 도금(4)을 이용하여 다이아몬드 입자(입자직경은 수십㎛임: 6)를 고정시킨 구조로 이루어진다. 이러한 구조를 갖는 다이아몬드 컨디셔너 디스크(10)는 회전 정반(12)의 연마패드(14) 상에 배치되고, 다이아몬드 컨디셔너 디스크(10)에 연결된 구동수단(16)을 이용하여 회전시킴으로써 상기 컨디셔너 디스크(10)의 다이아몬드 입자(6)와 연마패드(14)의 마찰을 통해 연마패드(14)의 표면을 점선부분까지 연마시킨다. 결과적으로, 상기 컨디셔닝 공정을 통해 연마패드(14)의 표면은 균일한 평탄도로 재생된다.

이와 같이, 상기 컨디셔닝을 CMP공정에서 주기적으로 컨디셔닝공정을 반복함으로써 연마패드의 표면은 2㎛이하의 평탄도를 관리해야 한다.

하지만, 종래의 컨디셔닝방법은 다이아몬드의 입자의 점접촉에 의한 마찰과 그 입자의 절삭각이 고르지 못하는 등으로 인해 절삭성능이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 연마패드에 대해 상기 다이아몬드 컨디셔너 디스크를 비교적 큰 압력을 가하게 되는데, 연마패드의 재질이 일반적으로 합성 폴리우레탄계열 물질이므로 압축되는 정도에 따라 컨디셔닝 자체가 원할하게 이루어지지 않을 뿐만 아니라, 2㎛이하의 양질의 평탄도를 얻기 힘들다는 문제가 있다.

또한, 상기 컨디셔너 디스크(4)에 전착된 다이아몬드 입자(6)를 고정하는 니켈 또는 크롬도금도 컨디셔닝과정에서 함께 연마된다. 그 결과, 다이아몬드 입자가 상기 컨디셔너 디스크(10)로부터 탈락되는 현상이 발생되고, 그 탈락된 다이아몬드 입자(6)는 컨디셔닝 과정에서 연마패드에 박히게 된다.

이와 같이, 연마패드에 박힌 다이아몬드 입자는 웨이퍼 표면에 치명적인 스크래치(scratch)를 유발하여 공정 불량을 야기한다. 결국, 스크래치가 있는 연마패드를 폐기되어야 한다. 한편, 다이아몬드 탈루현상이 발생된 컨디셔너 디스크도 사용될 수 없는 상태가 되므로, 다른 컨디셔너 디스크로 대체해야 한다. 따라서, 부자재의 소모로 인해 공정코스트가 크게 증가하게 된다.

따라서, 연마패드를 균일한 평탄도로 쉽게 컨디셔닝하면서도 다이아몬드 탈루로 인한 스크래치를 근원적으로 방지할 수 있는 효율적인 컨디셔닝 장치 및 방법이 요구되어 왔다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 연삭팁을 갖는 바이트를 연마패드 측면에 평탄화시킬 정도의 적절한 절삭깊이로 위치시킨 후에, 연마패드를 중심을 축으로 하여 회전시키면서 상기 바이트를 연마패드의 반경만큼 일정한 속도로 이동시킴으로써 연마패드를 컨디셔닝하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도1a는 종래의 컨디셔닝 장치에 구비된 컨디셔닝 디스크 링의 단면도이다.

도1b는 종래의 컨디셔닝 방식을 나타내는 개략도이다.

도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 컨디셔닝 장치의 개략도이다.

도3a 내지 3b는 본 발명의 컨디셔닝 장치에 채용되는 바이트의 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

22: 회전정반 24: 연마패드

26: 바이트 27: 연삭팁

28: 제1 레벨스크루 32: 수평슬라이드부

34: 수평케이스부 36: 힌지연결부

38: 제2 레벨스크루

본 발명은, 연마장치에 사용되는 연마패드의 표면을 컨디셔닝하기 위한 장치에 있어서, 상기 연마패드를 그 상면에 구비하고, 그 중앙부를 축으로 하여 상기 연마패드를 회전시키기 위한 회전정반과, 상기 연마패드 표면과 거의 수직방향으로 위치하며 끝단에 연삭팁을 구비한 바이트와, 상기 바이트의 위치를 상기 연마패드 표면과 거의 수평방향으로 이동시키기 위한 수평이동수단과, 상기 회전정반의 일측에 배치되며, 상기 수평이동수단을 지지하기 위한 베이스부와, 상기 바이트의 위치를 상하로 조절하기 위한 수직이동수단으로 이루어진 컨디셔닝 장치를 제공한다.

본 발명의 일실시형태에서는, 상기 컨디셔닝 장치는 상기 수평이동수단의 수평이동방향과 상기 연마패드 표면이 이루는 경사각을 조절하기 위한 경사조절수단을 더 포함하여 상기 바이트의 수평이동방향이 상기 연마패드의 표면과 정확하게 평행을 이루도록 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 수평이동수단는 그 일측에 상기 바이트가 장착된 수평슬라이드부와 상기 수평슬라이드부의 타측에 연결되어 그 수평슬라이드부를 수평방향으로 이동시키기 위한 레일을 구비한 수평케이스부와, 상기 수평슬라이드부를 상기 수평케이스의 레일에 따라 이동시키기 위한 구동부로 구현할 수 있으며, 상기 수직이동수단는 상기 수평슬라이드의 일측에 구비되어, 상기 바이트의 상하위치를 조절하기 위한 제1 레벨 스크루로 구성할 수 있다.

상기 실시형태에서는, 상기 경사조절수단의 바람직한 예로 상기 베이스부에 구비되어 상기 수평케이스의 일단을 이동시켜 상하위치를 조절하기 위한 제2 레벨 스크루와, 상기 제2 레벨 스크루의 조작에 따라 상기 수평케이스부와 상기 연마패드의 표면의 경사각을 변화시키기 위해 상기 수평케이스부의 일지점을 상기 베이스부에 고정하는 힌지연결부로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 바이트의 연삭팁은 경도가 높은 다이아몬드를 사용할 수 있다.

나아가, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 연마장치에 사용되는 연마패드의 표면을 컨디셔닝하는 방법에 있어서, 연삭팁을 구비한 바이트를 상기 연마패드의 내측면 또는 외측면 상에 배치하는 단계와, 상기 바이트를 상하로 이동시킴으로써 상기 연마패드의 표면을 평탄화시킬 수 있는 상기 연마패드의 연삭깊이가 되도록 상기 연마팁의 위치를 조정하는 단계와, 상기 연마패드를 그 중심을 축으로 하여 소정의 속도로 회전시키는 단계와, 상기 연마패드가 회전하는 동안에 상기 바이트를 상기 연마패드의 표면과 평행한 방향으로 적어도 상기 연마패드의 반경길이만큼 이동시키는 단계로 이루어진 컨디셔닝 방법을 제공한다.

본 발명의 특징은, 종래의 컨디셔닝 장치가 면 대 면(연마패드면과 컨디셔너 디스크면)으로 가공하던 방식인데 반해, 일정한 절삭깊이를 갖도록 연마패드에 위치시킨 연삭팁을, 회전하는 연마패드 상에서 일정한 속도로 수평이동시키는 방식으로 연마패드면을 컨디셔닝하는 방식으로 전환시켰다는데 있다.

보다 구체적으로는, 본 발명에서는, 연마패드를 회전정반에서 회전시키는 동안에, 연삭팁이 마련된 바이트를 연마패드의 중심에서부터 측면끝단까지 또는 측면끝단에서 중심으로 평행이동시키는 새로운 컨디셔닝방식을 통해, 수직압력의 불균일한 분포와 국부적인 회전량의 차이에 따른 불균일성이라는 종래의 문제를 근원적으로 극복할 수 있었다.

또한, 본 발명에서는 바이트에 부착된 연삭팁을 이용하기 때문에 컨디셔너 디스크에 금속도금으로 부착된 다이아몬드의 입자가 탈루되어 발생되는 스크래치 현상을 방지할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 컨디셔닝 장치의 개략도이다. 상기 컨디셔닝 장치(50)는 화학기계적 연마장치에 구비되는 구조로서 연마패드(24)가 배치된 회전정반(22)의 일측에 배치된다.

도2를 참조하면, 상기 컨디셔닝 장치(50)는, 크게 끝단에 연삭팁(27)을 갖춘 바이트(26)와, 상기 바이트(26)를 고정하고 상기 연마패드(24) 표면과 거의 수평방향으로 이동하기 위한 수평슬라이더부(32) 및 상기 수평슬라이더부(32)의 이동경로를 보장하는 수평케이스부(34)로 이루어진 수평이동수단과, 상기 수평이동수단의 수평케이스(34)를 지지하기 위한 베이스부(42)와, 상기 바이트(26)의 위치를 상하로 조절하기 위한 제1 레벨 스크루(28)로 이루어진 수직이동수단으로 구성된다.

또한, 상기 컨디셔닝 장치(50)는 수평슬라이드(32)의 수평이동경로와 연마패드(24) 표면의 사이각를 조절하기 위한 경사조절수단을 추가적으로 구비할 수 있다. 도2a에 도시된 컨디셔닝 장치(50)의 경사조절수단은, 상기 베이스부(42)의 일단에 장착된 제2 레벨 스크루(38)와, 상기 수평케이스(34)의 일지점을 상기 베이스부(36)에 고정한 힌지연결부(36)로 구성되어, 수평케이스(34)의 레일을 따라 작동하는 수평슬라이드(32)의 이동방향을 상기 연마패드(24)의 표면과 평행을 이루도록 정밀하게 조절할 수 있다.

도3a 내지 3b은 본 발명에서 채용되는 바이트(26)의 측면도이다.

도3a를 참조하면, 바이트(26)의 일단은 약 90°의 경사각을 갖는 선단으로 이루어지며, 상기 선단의 끝에 연삭팁(27)이 부착되어 있는다. 일반적으로, 연삭팁(27)은 경도가 높은 다이아몬드 팁을 사용한다. 본 실시형태에서는 약 1㎜의 직경을 갖는 다이아몬드 팁을 사용하였다. 또한, 도3b에 도시된 바와 같이, 선단부는 약 6°의 여유각을 갖도록 하여 연마패드의 연삭결과물의 배출을 원활하게 할 수 있다.

이하, 도2에 도시된 실시형태에 따른 컨디셔닝 장치(50)의 작동원리를 설명하기로 한다.

상기 컨디셔닝 장치(50)에서, 연삭팁(27)을 갖춘 바이트(26)를 상기 연마패드(24)의 내측면 상에 배치한다. 이는 연마패드(24)의 컨디셔닝 시작점을 결정하는 것으로, 외측면으로부터 중심으로 절삭할 경우에는 외측면 상에 배치할 수도 있으나, 외주가 중심보다 회전력이 강하게 작용하므로 초기단계에서 바이트(26)위치의 변동을 방지하기 위해 중심부터 시작하는 것이 바람직하다.

이어, 정확한 절삭량을 결정하기 위해서, 상기 제1 레벨스크루(28)를 조작하여 상기 바이트(26)를 상하로 이동시킴으로써 평탄화를 위한 정확한 절삭량을 결정한다. 여기서, 절삭량이란 이동상기 연마패드의 표면을 평탄화시킬 수 있는 연마패드(24)의 최소 연삭깊이를 의미한다. 이러한 연삭깊이는 내측면과 밀착하여 이동된 연삭팁(27)의 상하위치에 따라 결정된다. 따라서, 제1 레벨스크루(28) 조작에 의한 바이트(26)의 수직이동으로 정확한 절삭량을 설정할 수 있다. 바람직하게는, 연마패드(24) 표면의 정밀도를 위해, 상기 제1 레벨스크루(28)는 마이크로미터(㎛)단위로 이동하도록 구성한다.

이어, 회전정반(22)을 그 중심을 축으로 회전시킴으로써 상기 연마패드(24)를 소정의 속도(예를 들면, 150-300rpm)로 회전시킨다. 연마패드(24)가 회전하는 동안에, 별도의 구동수단을 이용하여 수평슬라이드부(32)를 수평케이스(34)의 레일을 따라 수평이동시킴으로써 상기 바이트(26)를 상기 연마패드(24)의 표면과 평행한 방향을 따라 적어도 상기 연마패드(24)의 반경길이만큼 이동시킨다. 상기 바이트(26)의 수평이동속도는 수십㎜/min속도로 이동시키며, 거의 균일한 속도로 이동시킴으로써 전체 면이 균등하게 연마되도록 한다.

바이트(26)의 수평이동속도는 연마패드(24)의 전체표면이 연삭팁(27)으로 가공될 수 있는 범위에 정해지는 연마패드(24)의 회전속도에 따라 결정된다. 즉, 연마패드(24)의 회전속도가 빠르면, 대체로 바이트(26)의 수평이동속도를 높혀 작업속도를 향상시킬 수 있다. 하지만, 연마패드(24)의 회전속도에 의해 바이트(26)의 위치가 변동될 수 있으므로, 수백rmp이상으로 높히지 않는 것이 바람직하다. 특히, 절삭량이 많은 경우에 이러한 연마패드(24) 회전속도에 의한 영향이 클 수 있다. 이와 같이, 연마패드(24)의 절삭량(또는 연삭깊이)에 따라 연마패드(24)의 회전속도 및 바이트(26)의 수평이동속도를 결정하는 것은 당업자에게는 용이하게 구현될 수 있을 것이다.

본 발명의 컨디셔닝방법에서 연마패드의 회전속도를 약 180rpm으로 하고 수평슬라이드에 의한 바이트이동속도를 50㎜/min으로 하는 경우에, 종래의 다이아몬드 디스크 링을 이용한 방식에서 약 15분정도 소요되었던 공정을 약 5분정도로 단축할 수 있었다.

본 발명에 의한 컨디셔닝 방법에서는, 균일한 연마패드 표면형성을 위해 바이트의 수평이동을 연마패드의 표면과 평행하게 이동되도록 구현하는 것이 매우 중요하다. 이는 컨디셔닝 장치를 화학기계적 연마장치에 구비할 때에 수평슬라이드 및 수평케이스의 레일을 연마패드의 표면과 평행하도록 장착함으로써 해결할 수 있다. 하지만, 외부영향에 의한 수평이동수단의 구조적 변화나 회전정반 상의 연마패드 상태에 따라 수평이동방향이 연마패드표면에 정확한 평행을 보장하지 못할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 상기 컨디셔닝 장치는 경사조절수단을 추가적으로 구비할 수 있다.

상기 경사조절수단은, 도2와 같이, 힌지연결부(36)와 제2 레벨스크루(38)로 구성한다. 상기 경사조절수단은 상기 베이스부(34)의 일단에 구비된 제2 레벨스크루(38)를 조작하여 그 베이스부(34)에 힌지연결된 수평케이스(34)의 일단을 상하이동시킴으로써, 바이트(26)의 수평이동방향을 연마패드(24)의 표면과 정확하게 평행을 이루도록 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 컨디셔닝 장치에 따르면, 연삭팁을 갖는 바이트를 상기 연삭팁이 연마패드의 내측면 또는 외측면에 배치시킨 후에 표면 평탄화를 위한 절삭량을 정확히 조절하고, 연마패드를 회전시키는 동안에 상기 바이트를 연마패드와 평행하는 수평방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 바이트를 제1 레벨스크루를 이용하여 상하위치를 정밀하게 조절함으로써 정확한 절삭량으로 평탄시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마패드의 회전과 바이트의 수평이동으로 연마패드의 표면의 전체를 균일하면서도 고속으로 컨디셔닝할 수 있다.

Claims

연마장치의 회전정반에 구비된 연마패드의 표면을 컨디셔닝하기 위한 장치에 있어서,

상기 연마패드의 표면과 거의 수직방향으로 설치되며, 끝단에 연삭팁을 구비한 바이트;

상기 바이트의 위치를 상기 연마패드 표면과 거의 수평방향으로 이동시키기 위한 수평이동수단;

상기 회전정반의 일측에 배치되며, 상기 수평이동수단을 지지하기 위한 베이스부; 및

상기 바이트의 위치를 상하로 조절하기 위한 수직이동수단을 구비한 연마패드 컨디셔닝 장치.
제1항에 있어서,

상기 수평이동수단과 상기 연마패드 표면이 이루는 경사각을 조절하기 위한 경사조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨디셔닝 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 수평이동수단은,

그 일측에 상기 바이트가 장착된 수평슬라이드부와,

상기 수평슬라이드부의 타측에 연결되어 그 수평슬라이드부를 수평방향으로 이동시키기 위한 레일을 구비한 수평케이스부와,

상기 수평슬라이드부를 상기 수평케이스의 레일에 따라 이동시키기 위한 구동부로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔닝 장치.
제3항에 있어서,

상기 수직이동수단은,

상기 수평슬라이드부의 일측에 구비되어, 상기 바이트의 상하위치를 조절하기 위한 제1 레벨 스크루로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔닝 장치.
제3항에 있어서,

상기 경사조절수단은,

상기 베이스부에 구비되어, 상기 수평케이스의 일단을 이동시켜 상하위치를 조절하기 위한 제2 레벨 스크루와,

상기 제2 레벨 스크루의 조작에 따라, 상기 연마패드의 표면과 상기 수평케이스부가 이루는 경사각을 변화시키기 위해, 상기 수평케이스부의 일지점을 상기 베이스부에 고정하는 힌지연결부로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔닝 장치.
제1항에 있어서,

상기 바이트의 연삭팁은 다이아몬드로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨디셔닝 장치.
연마장치에 사용되는 연마패드의 표면을 컨디셔닝하는 방법에 있어서,

연삭팁을 구비한 바이트를 상기 연마패드의 내측면 또는 외측면 상에 배치하는 단계;

상기 바이트를 상하로 이동시킴으로써 상기 연마패드의 표면을 평탄화시킬 수 있는 상기 연마패드의 연삭깊이가 되도록 상기 연마팁의 위치를 조정하기 위해 단계;

상기 연마패드를 그 중심을 축으로 하여 소정의 속도로 회전시키는 단계; 및

상기 연마패드가 회전하는 동안에 상기 바이트를 상기 연마패드의 표면과 평행한 방향으로 적어도 상기 연마패드의 반경길이만큼 이동시키는 단계를 포함하는 연마패드 컨디셔닝 방법.