KR20030061312A - 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법 - Google Patents

씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연마제의 조합 정밀도를 향상시키고, 또한 자동적으로 얼마 안되는 적은 양의 첨가제인 H2O2의 계량을 정밀도 좋게 행할 수 있는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치(10)에 있어서 연마제 조합용의 탱크(12)와, 탱크(12)에 연마제 원료를 투입하는 연마제 원료투입수단(16)과, 탱크의 외부에 배치되어 탱크 내의 연마제 첨가제 농도를 계측할 수 있는 농도계(78)를 가지고, 농도계(78)에 의해 탱크(12)내의 연마제의 첨가제 농도가 계측되고 이 계측 결과에 의해 첨가제 원료의 투입량이 제어된다.

Description

씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법{METHOD AND APPARATUS FOR PREPARING SLURRY FOR CMP APPARATUS}
본 발명은 씨엠피(CMP ; Chemical Mechanical Polishing : 화학적 기계연마)연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 디자인 룰의 축소화에 따라서 층간 막 등의 평탄화 프로세스에 씨엠피가 널리 사용되게 되어 왔다. 이 씨엠피에 사용되는 연마제는 미세 입자를 pH조정제 등의 시약을 함유하는 수용액에 분산시킨 고체/액체 분산계의 것이 대부분이며, 이들은 각종 연마제 메이커로부터 액체 형태로 연마제 원액으로서 판매되고 있다. 그리고, 여기에 첨가되는 첨가제로서는 얼마안되는 적은 양(2중량% 전후)의 과산화수소(H2O2)가 일반적이다. 즉, 상기 연마제 원액과 첨가제 등이 연마제의 원료가 된다.
또, 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치는 도 2에 단면도로 도시한 바와 같은 구성인 것이 일반적이다. 또한, 이 연마제 조합장치(1)는 연마제의 공급을 행하는 슬러리 탱크(연마제 공급장치)로서도 기능한다.
동 도면에 있어서, 연마제 조합장치(1)는 상부 덮개를 삽통해서 배관(2,3,4)이 탱크의 내부에 삽입되어 있다. 또, 탱크의 바닥에는 배관(5)이 연결되어 있다. 배관(2)은 연마제 원액(연마제 메이커로부터 구입한 상태의 것)을 공급하기 위한 것이며, 배관(3)은 첨가제를 공급하기 위한 것이다. 배관(5)은 연마제를 배출하여 연마장치에 공급하기 위한 것이고, 배관(4)은 연마제를 탱크 내에 복귀시키기 위한 것이다.
배관(4,5)은 씨엠피 연마장치에 연결되어 연마제를 순환시키면서 연마제 공급장치(1)로부터 씨엠피 연마장치에 연마제의 공급한다. 그리고, 배관(4)과 배관(5) 사이에는 배관(6)이 연결되어 있어서 연마제 공급장치(1)와 씨엠피 연마장치와의 사이를 순환하는 배관(4)과 배관(5)과의 바이패스로 되어 있다. 또한 부대설비로서 펌프(7) 및 밸브(8,9)가 설치되어 있다.
연마제의 조합은 배관(2)으로부터 연마제 원액을, 배관(3)으로부터 첨가제를 각각 공급하여 도시하지 않은 스터러(교반기)에 의해 교반함으로서 행한다. 또, 연마제 공급장치(1)내의 연마제의 양이 감소되어 갔을 때에도 마찬가지로 연마제 원액과 첨가제를 공급해서 조합한다. 이들 작업시에 연마제 원액 및 첨가제 공급량을 관리하는 것은 연마제 공급장치(1) 내부에 배설된 도시하지 않은 액면계에 의한다.
한편, 이와 같이 연마제의 공급장치(1)에 의해 연마제의 초기 조합을 행하지 않고, 외부에서 별도로 조합한 연마제를 공급하는 예도 있다. 이 경우에는 연마제 원액 및/또는 첨가제의 추가를 행할 때에만 배관(2) 및/또는 배관(3)을 사용하고 있다.
그러나 상기 종래의 연마제 공급장치(1)에 의한 연마제의 조합에 있어서 당초에는 연마제 원액 및 첨가제인 H2O2의 공급량을 정확하게 관리할 수 있었다고 해도 H2O2는 증발하기 쉬워 시간과 함께 H2O2의 농도가 저하되어 간다는 문제가 발생하고 있다. 그 결과 연마제의 조합비율이 서로 달라져서 연마 품질도 큰 영향을 받게 된다.
그 때문에, 소정 시간마다 연마제의 샘플링을 행하여 연마제 중의 H2O2농도의 측정을 행하여 현재 상태의 연마제 중의 H2O2농도를 수정할 수 있도록 H2O2농도가 기준보다 높은 추가의 연마제를 외부 탱크에서 조합해서 탱크에 투입하거나 배관(2)및/또는 배관(3)을 사용해서 연마제 원액 및/또는 H2O2의 투입을 행하고 있었다.
그러나, 상기 종래의 작업은 작업자의 부담이 된다. 즉, 현재 상태의 연마제의 양 및 연마제 중의 H2O2농도가 정확하게 파악된 다음에, 추가의 연마제 양 및 추가의 연마제 중의 H2O2농도가 산출되고, 이에 따라서 추가의 연마제 조합 또는 배관(2) 및/또는 배관(3)을 사용한 연마제 원액 및/또는 H2O2의 투입이 필요하다. 이들은 수동조작을 필요로 하여 프로세스 제어에는 부적당하다.
또, 샘플링용의 설비, 추가의 연마제용의 외부 탱크 등의 설비를 필요로 한다.
본 발명은 이러한 사정을 감안해서 이루어진 것으로서, 연마제의 조합정밀도를 향상시키고, 또한 자동적으로 얼마 안되는 적은 양의 첨가제인 H2O2의 계량을 정밀도 좋게 행할 수 있는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치에 있어서, 연마제 조합용의 탱크와, 이 탱크에 연마제 원료를 투입하는 연마제 원료투입수단과, 이 탱크의 외부에 배치되어 탱크내의 연마제의 첨가제 농도를 계측할 수 있는 센서를 가지고, 상기 센서에 의해 상기 탱크내의 연마제의 첨가제 농도가 계측되고, 이 계측 결과에 의해 연마제 원료의 투입량이 제어되는 것을 특징으로 하는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 그 장치에 의한 조합방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 연마제 조합용의 탱크 내의 연마제의 첨가제 농도를 계측할 수 있는 센서에 의해 연마제의 첨가제 농도가 계측되고, 이 계측 결과에 의해 연마제 원료의 투입량이 제어된다. 따라서, 연마제의 조합 정밀도가 높고, 또한 자동적으로 첨가제 농도의 계량을 행할 수 있으며, 또, 자동적으로 연마제 원료의 투입을 행할 수 있다.
또한, 여기에서 말하는 연마제 원료라 함은 각종 연마제 메이커로부터 액체 형태로 판매되고 있는 연마제 원액과, 과산화수소(H2O2)로 대표되는 첨가제 및 필요에 따라서 첨가되는 순수한 물(순수)을 지칭한다.
또, 첨가제로서는 과산화수소(H2O2)가 일반적이지만, 이들 이외의 것, 예를 들면 과산화 요오드 등도 사용된다.
본 발명에 있어서, 상기 센서에는 탱크로 부터의 배관에 의해 연마제가 공급됨과 동시에, 이 센서의 상류측에는 연마제의 흐름 맥동을 정류화시키는 댐퍼수단이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 연마제의 배관 중에서 센서의 상류에 있어서의 연마제의 흐름 맥동이 정류화되면 첨가제 농도의 계량 정밀도가 향상되기 때문이다.
도 1은 본 발명에 관한 연마제 조합장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 종래예인 연마제 조합장치의 개요를 도시한 단면도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호 설명〉
10 : 연마제 조합장치 12 : 탱크
14 : H2O2농도 계측수단 16 : 연마제 원료투입수단
18 : 제어수단 78 : H2O2농도계
이하, 첨부 도면에 따라서 본 발명에 관한 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법의 바람직한 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은 연마제 조합장치(10)의 전체 구성을 도시한 개략도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이 연마제 조합장치(10)는 주로 연마제 조합용의 탱크(12), H2O2농도 계측수단(14), 연마제 원료투입수단(16) 및 이들을 제어하는 제어수단(18)으로 구성되어 있다.
연마제 조합용의 탱크(12)는 수지제의 원통형상을 한 것이고, 중량센서(13)인 로드셀 상에 고정되어 있어 탱크(12)의 전체 중량이 중량센서(13)에 부하되도록 구성되어 있다.
탱크(12)의 상부 덮개(도시 생략)를 삽통해서 배관(20,22)이 내부에 연통되어 있다. 또, 상부 덮개를 삽통해서 배관(24)이 배설되어 있다. 이 배관(24)은 연마제를 배출하여 연마장치에 공급하기 위하여 펌프(26)에 접속되고, 연마장치에 배관된다. 탱크(12)의 바닥에는 배관(28)이 연결되어 있고, 배관(28)의 말단에 배설되는 밸브(30)를 조작함으로서 드레인 배출할 수 있다.
또, 덮개 측벽을 삽통해서 배관(70)이 설치되어 있고, 이 배관(70)은 H2O2농도 계측수단(14)을 경유해서 상부 덮개를 삽통해서 탱크(12)내로 복귀된다.
탱크(12)에는 스터러(32)가 설치되어 교반할 수 있도록 되어 있다. 스터러(32)에 의한 교반은 모터(32A)에 의해 구동되는 샤프트의 선단에 설치된 프로펠러를 회전시킴으로서 행할 수 있다.
이들 탱크(12)에 연결되는 배관(20,22,24,28,70) 및 스터러(32)는 중량센서(13)에 의한 탱크(12)의 중량 계측에 오차를 발생하지 않도록 탱크(12)와는 느슨하게 연결되어 있다. 이와 같은 구성으로 하려면, 예를 들면 플렉시블 호스 등을 사용하면 된다.
중량센서(13)로서는 상부에 고정된 탱크(12)의 중량을 검출하여 전기신호로서 인출하는 것이면 사용할 수 있으나, 로드셀을 일반적으로 바람직하게 사용할 수 있다. 이와 같은 로드 셀로서는 예를 들면 테크니컬 앤드 트라이사 제품인 로드셀, 모델번호 : TTS-100-1300-SW205(콘트롤러(13A)로서는 모델번호 : MX-8800을 사용)를 사용할 수 있다. 이 로드셀의 표시범위는 0~15㎏이고, 아날로그 출력으로서는 0~5000㎷를 얻을 수 있다.
콘크롤러(변환기)(13A)로 부터의 아날로그 출력은 컴퓨터(도시생략)에 보낸다. 또, 콘트롤러(13A)로부터의 아날로그 출력은 데이터 로거(90)에도 보내져서(1채널(1ch) 경유) 기록된다.
H2O2농도 계측수단(14)은 펌프(72) 제1의 댐퍼수단(74), 제2의 댐퍼수단(76), 센서인 H2O2농도계(78), 유량계(80) 및 탱크(12)로부터 펌프(72) 제1의 댐퍼수단(74), 제2의 댐퍼수단(76), H2O2농도계(78), 유량계(80)를 직렬로 연결해서 탱크(12)까지 복귀하도록 설치되는 이미 설명한 배관(70)으로 구성된다.
펌프(72)로서 다이어프램 펌프가 사용되고 있으나, 연마제의 송액을 확실하게 행할 수 있는 타입의 펌프이면 다른 형태의 것이어도 된다.
제1의 댐퍼수단(74) 및 제2의 대미퍼수단(76)으로서는 펌프(72)에서 발생한 연마제의 흐름 맥동을 정류화시키는 것이면 형식을 불문한다. 댐퍼수단을 2개 직렬로 설치하는 것은 더욱 효과를 높이기 위한 것이지만 연마제의 흐름 맥동의 정도, 댐퍼수단의 성능에 따라서는 1개 설치해도 된다.
H2O2농도계(78)로서는 연마제 중의 H2O2농도를 검출하여 전기신호로서 출력시키는 것이면 사용할 수 있으며, 예를 들면 후지고교사 제품인 H2O2농도계(모델번호 : FUD-1 model-11)를 사용할 수 있다. 이 H2O2농도계의 표시범위는 0~5중량%이다.
H2O2농도계(78)로부터의 출력(2채널(2ch) 경유)은 변환기(78A)를 경유해서 컴퓨터(도시생략)를 통해서 시퀀서(62)에 보내어짐과 동시에 데이터 로거(90)에도 보내져서 기록된다.
유량계(80)로서는 테이퍼 관류 계량계와 같이 육안으로 봐서 판독할 수 있는 것이어도 되나, 검지한 값을 전기신호로 출력시키는 타입의 것, 예를 들면 전자(電磁) 유량계와 같은 타입의 것이 바람직하다.
연마제 원료투입수단(16)은 탱크(12)에 공급되는 연마제 원액이나 첨가제 등이 저장되는 원액탱크(40,42)와, 이들 탱크로부터 연마제 원액이나 첨가제를 송액하는 송액펌프(44,46)와, 유량계(Flow Meter)(48,50)와, 송액의 ON-OFF를 행하는 밸브(52,54)와, 원액탱크(40,42)로부터 탱크(12)까지 송액펌프(44,46), 밸브(52,54), 유량계(48,50)를 직렬로 연결해서 설치되는 이미 설명한 배관(20,22)으로 구성된다.
본 구성에서는 송액펌프(44,46)로서 다이어프램 펌프가 사용되고 있으나, 연마제 원액이나 첨가제 등의 송액을 확실하게 행할 수 있는 타입의 펌프이면 다른 형태의 것이어도 된다.
유량계(48,50)로서는 테이퍼 관,유량계와 같이 눈으로 봐서 판독할 수 있는 것이어도 되나, 검지한 값을 전기신호로 출력시키는 타입의 것, 예를 들면 전자(電磁)유량계와 같은 타입의 것이 바람직하다. 이 출력은 회선(3채널(3ch),4채널(4ch))을 경유해서 후술하는 데이터 로거(90)에 기억된다.
밸브(52,54)로서는 후술하는 제어수단(18)에 의해 솔레노이드(52A,54A)가 구동됨으로서 송액의 ON-OFF를 행할 수 있는 형식의 것이 사용된다.
제어수단(18)은 연마제 조합장치(10) 전체를 콘트롤하는 컴퓨터(도시생략)와, 컴퓨터로 부터의 지령을 받아서 펌프(44,46)의 ON-OFF 제어 및 밸브(52,54)의 ON-OFF 제어를 행하는 솔레노이드(52A,54A)의 제어를 행하는 시퀀서(62)로 구성된다.
기타로서, 유량계(48,50) 및 중량센서(13)의 콘트롤러(13A)로 부터의 신호 및 H2O2농도계(78)의 변환기(78A)로 부터의 신호를 받아서 연마제 원액이나 첨가제 등의 유량, 탱크(12) 중량 등의 경시적인 측정 결과를 기록하는 데이터 로거(90)를 설치할 수 있다.
또, 드레인 배출 등의 용도의 밸브(30)가 설치되어 있으나, 이것을 조작해서조합이 끝난 연마제를 뽑아내서 플로트식의 비중계 등에 의해 연마제를 모니터하는 등의 작업도 할 수 있다.
또한, 유량계(48,50) 및 데이터 로거(90)는 본 발명에 있어서의 필수 구성 요건은 아니다.
상기와 같이 구성된 연마제 조합장치(10)에 있어서의 연마제 조합방법은 다음과 같다. 먼저, 탱크(12)가 빈 상태에서 신규로 연마제를 조합하는 예에 대해서 설명한다.
조합개시전에 탱크(12)의 중량이 중량센서(13)에 의해 측정되고, 중량센서(13)의 콘트롤러(13A)로 부터의 출력이 컴퓨터에 보내져서 기억된다.
이어서, 송액 펌프(44)가 구동되어 원액탱크(40)내의 H2O2(과산화수소)가 탱크(12)내에 공급된다. 이때, 밸브(52)는 ON(열림)상태에 있다. 탱크(12)의 중량이 소정 중량이 된(컴퓨터가 중량을 판단한) 시점에서 컴퓨터가 시퀀서(62)를 경유해서 솔레노이드(52A)를 제어하여 밸브(52)를 OFF(닫힘)상태로 한다. 이에따라, H2O2의 공급은 정지된다.
그후, 송액펌프(46)가 구동되어 원액탱크(42)내의 연마제 원액(이 경우는 CABOT사 제품인 코로이달 실리카, 제품번호 : SSW2000)이 탱크(12)내에 공급된다. 이때, 밸브(54)는 ON(열림)상태에 있다. 탱크(12)의 중량이 소정 중량이 된(컴퓨터가 중량을 판단한) 시점에서 컴퓨터가 시퀀서(62)를 경유해서 솔레노이드(54A)를 제어하여 밸브(54)를 OFF(닫힘)상태로 한다. 이에 따라, 연마제 원액의 공급은 정지된다.
상기 조작과 병행해서 공급된 H2O2및 연마제 원액은 탱크(12)내에서 스터러(32)에 의해 교반되어 균일하게 조합된다.
또한, 유량계(48,50), 중량센서(13)의 콘트롤러(13A)로 부터의 신호 및 H2O2농도계로 부터의 신호가 데이터 로거(90)에 들어가서 연마제 원액이나 H2O2등의 유량, 탱크(12)의 중량, H2O2의 농도 등의 경시적인 측정 결과가 기록된다.
다음에, 연마제 조합장치(10)에 있어서의 H2O2의 보급방법에 대해서 설명한다. 펌프(72)는 항상 운전되고 있어, 배관(70)내의 연마제가 침전되거나, H2O2농도 계측시에 H2O2농도의 오차가 발생하거나 하지 않도록 되어 있다. 단, H2O2농도 계측시 마다 소정시간 전에 운전시키는 태양도 채용할 수 있다.
H2O2농도계에 의한 H2O2농도 계측은 항상 행할 수도 있으나, 소정시간 간격 마다 행할 수도 있다. 여기에서는 소정시간 간격 마다 행하는 태양에 대해서 설명한다.
H2O2농도계(78)에 의한 H2O2농도계측 결과가 소정의 하한치 미만이었을 경우, 컴퓨터의 지령을 받은 시퀀서(62)에 의해 송액펌프(44)가 구동되어 원액 탱크(40) 내의 H2O2(과산화수소)가 탱크(12)내에 공급된다. 이때, 밸브(52)는 ON(열림)상태에 있다. 연마제의 H2O2농도가 소정 값이 된(컴퓨터가 H2O2농도를 판단한) 시점에서 컴퓨터가 시퀀서(62)를 경유해서 솔레노이드(52A)를 제어하여 밸브(52)를 OFF(닫힘)상태로 한다. 이에 따라, H2O2공급은 정지된다.
이때, 연마제의 H2O2농도를 정확하게 조정하기 위해서는 H2O2가 공급되는(추가되는) 연마제의 용량을 파악할 수 있어야 한다. 이 때문에, 탱크(12)의 중량이 중량센서(13)에 의해 측정되고, 중량센서(13)의 콘트롤러(13A)로 부터의 출력이 컴퓨터에 보내져서 연마제의 용량을 고려한 H2O2의 공급량이 산출된다.
또한, H2O2의 공급을 연속적으로 행하였을 경우, 탱크(12) 내의 H2O2농도를 H2O2농도계(78)가 계측할 때까지 지연시간이 발생되는 것을 피하기 곤란하다. 즉, 소정의 시정수가 존재한다. 따라서, H2O2공급을 간헐적으로 행하는 수단을 채용하거나 또는 소정의 제어수단(예를 들면, PID제어)을 채용하면 된다.
H2O2의 보급을 행할 때에 탱크(12)내의 연마제 양이 적을 경우에는 H2O2의 공급과 동시에 연마제 원액의 공급을 행하면 된다. 그 때의 조작은 연마제의 초기 조합의 조작에 준한다.
이상, 본 발명에 관한 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치 및 조합방법의 실시형태의 예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태의 예에 한정되는 것은 아니며, 각종 태양을 채용할 수 있다. 예를 들면 본 실시 형태에서는 첨가제로서 과산화 수소(H2O2)를 사용하는 예에 대해서 설명하였으나, 그 이외의 것, 예를 들면 첨가제로서 과산화 요오드 등을 사용한 태양도 채용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연마제 조합용의 탱크 내의 연마제의 첨가제 농도를 계측할 수 있는 센서에 의해 연마제의 첨가제 농도가 계측되고, 이 계측 결과에 의해 연마제 원료 투입량이 제어된다. 따라서, 연마제의 조합 정밀도가 높고, 또한 자동적으로 첨가제 농도의 계량을 행할 수 있으며, 또한 자동적으로 연마제 원료의 투입을 행할 수 있다.
또, 센서에는 탱크로부터 배관에 의해 연마제가 공급됨과 동시에 센서의 상류측에는 연마제의 흐름 맥동을 정류화시키는 댐퍼수단이 설치되어 있으면, 센서의 상류에 있어서의 연마제의 흐름 맥동이 정류화되어 첨가제 농도의 계량 정밀도가 향상된다.

Claims (3)

  1. 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치에 있어서,
    연마제 조합용의 탱크와,
    상기 탱크에 연마제 원료를 투입하는 연마제의 원료투입수단과,
    상기 탱크 외부에 배치되어 탱크 내의 연마제의 첨가제 농도를 계측할 수 있는 센서를 가지고,
    상기 센서에 의해 상기 탱크 내의 연마제의 첨가제 농도가 계측되고, 이 계측 결과에 의해 연마제 원료의 투입량이 제어되는 것을 특징으로 하는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서에는 상기 탱크로 부터의 배관에 의해 연마제가 공급됨과 동시에, 상기 센서의 상류측에는 연마제의 흐름 맥동을 정류화시키는 댐퍼수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합장치.
  3. 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합방법에 있어서,
    연마제 조합용의 탱크 외부에 상기 탱크 내의 연마제의 첨가제 농도를 계측할 수 있는 센서를 배치하고, 상기 센서에 의해 상기 탱크 내의 연마제의 첨가농도를 계측하고, 이 계측 결과에 의해 연마제 원료의 투입량을 제어하는 것을 특징으로 하는 씨엠피 연마장치에 있어서의 연마제 조합방법.
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