KR20030094877A - 연마 헤드 및 이를 채용한 연마 장치 - Google Patents

Abstract

연마 헤드 및 연마 장치가 개시되어 있다. 공기의 유입과 유출을 안내하는 적어도 하나의 공기 유로를 구비하고, 상,하방으로 이동 가능한 본체, 상기 본체의 하부에 장착되어 웨이퍼의 이면을 접촉시키는 웨이퍼 흡착부와, 상기 본체의 하부에서, 웨이퍼 흡착부의 가장자리를 둘러싸면서 장착되는 리테이너 링 및 상기 본체의 상부로부터 상기 리테이너 링과 상기 웨이퍼 흡착부 사이로 이어지는 슬러리 공급 라인을 구비하는 연마 헤드가 제공된다. 상기 연마 헤드에 슬러리 공급 라인이 포함되어 웨이퍼 가장자리 부위에 슬러리가 접촉되는 양이 부족함에 따라 웨이퍼의 연마 프로 파일이 불량해지는 것을 방지할 수 있다.

Description

연마 헤드 및 이를 채용한 연마 장치{Polishing head and polishing apparatus for using the same}

본 발명은 연마 헤드 및 이를 채용한 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼에 형성되어 있는 막들을 균일하게 평탄화시키기 위한 연마 헤드 및 이를 채용한 연마 장치에 관한 것이다.

근래에 반도체 장치의 제조 기술은 정보 통신 기술의 비약적인 발전에 따라 집적도, 신뢰도 및 처리 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다. 상기 반도체 장치는 실리콘 단결정으로부터 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼를 제작하고, 상기 반도체 기판 상에 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.

상기 반도체 장치의 집적도가 증가하면서 다층 배선 공정이 실용화됨에 따라, 사진 공정의 마진을 확보하고 배선 길이를 최소화하기 위하여 칩(chip) 상부의 물질층에 대한 글로벌 평탄화 기술이 요구되고 있다. 현재, 하부 구조물을 평탄화시키기 위한 방법으로는 리플로우(reflow) 공정, 에치백(etch-back) 공정 및 화학 기계적 연마 공정 등이 사용되고 있다. 이 중에서, 화학 기계적 연마 공정은 리플로우 공정이나 에치백 공정으로 달성할 수 없는 넓은 공간 영역의 글로벌 평탄화 및 저온 평탄화를 달성할 수 있다는 장점 때문에 차세대 반도체 장치에서 유력한 평탄화 기술로 대두되고 있다.

상기 화학 기계적 연마에 의해 웨이퍼를 연마할 때, 상기 웨이퍼는 표면의 어느 부위에서도 균일한 연마가 이루어져야 한다. 이를 위해, 상기 웨이퍼의 각 부위에 가해지는 연마 압력, 슬러리의 양과, 웨이퍼에서 연마되는 면과 접촉하는 연마 패드의 표면 상태는 연마 공정이 수행되는 중에 균일하게 유지되어야 한다.

상기 인자들 중에서 슬러리는 연마제, 케미컬 및 물 등을 포함하고 있어, 웨이퍼 표면에 형성되어 있는 막을 물리적, 화학적으로 제거하는 역할을 한다. 때문에, 상기 슬러리를 웨이퍼 전면에 고르게 분포되도록 제공하는 것이 상기 웨이퍼에형성되어 있는 막을 평탄화하는데 있어서 매우 중요하다.

도 1은 종래의 연마 장치에서 연마를 수행한 후, 웨이퍼의 위치별로 연마 정도를 측정한 그래프도이다.

상기 그래프는 웨이퍼 상에 형성되어 있는 막들 중에서 산화막을 선택적으로 식각할 수 있는 슬러리(구체적으로, 세리아 슬러리)를 사용하여 3번에 걸쳐 웨이퍼를 연마한 후 데이터를 수득한 것이다. 상기 선택비를 갖는 슬러리는 다른 슬러리들에 비해 상대적으로 연마제의 함유 비율이 작아서, 웨이퍼 전면에 슬러리가 고르게 제공되지 않을 경우 연마제 성분과 접촉하지 못하는 부위에는 연마 속도가 매우 느리게 된다. 따라서, 웨이퍼의 각 영역별로 균일한 연마를 수행하기가 어렵다.

도 1에서, X 축은 웨이퍼의 위치를 나타내며, Y축은 연마되는 두께의 평균을 1 로 두고 각 영역에서의 연마 정도를 수치화한 것이다.

도시된 바와 같이, 상기 슬러리를 사용할 경우 웨이퍼 중심부는 연마율이 높고, 웨이퍼의 가장자리 부위(여기서는 웨이퍼의 좌, 우측)로 갈수록 연마율이 낮게 나타난다.

상기와 같이, 웨이퍼에서 국부적으로 연마가 많이 되거나 또는 작게 되면 공정 불량 및 신뢰성 문제가 발생하게 된다.

연마 헤드 및 플레튼의 회전 방향 및 속도를 조절하여 웨이퍼를 균일하게 연마하는 방법 및 장치의 일 예가 Wei에게 허여된 미합중국 특허 제 6,386960호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 연마 장치 내의 요소들의 회전 방향 및 회전 속도를 조절에 의해 웨이퍼를 균일하게 연마시키는데는 한계가 있다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 연마 장치에 사용되는 연마 헤드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 연마 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 연마 장치에서 연마를 수행한 후, 웨이퍼의 위치별로 연마 정도를 측정한 그래프도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 장치의 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연마 헤드 30 : 본체

40 : 웨이퍼 흡착부 50 : 리테이너 링

60 : 제1 슬러리 공급 라인 14: 플레튼

16 : 제2 슬러리 공급 장치 18 : 연마 패드 컨디셔너

상기한 제1 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

공기의 유입과 유출을 안내하는 적어도 하나의 공기 유로를 구비하고, 상,하방으로 이동 가능한 본체;

상기 본체의 하부에 장착되고, 상기 공기 유로를 통해 제공되는 공기압에 의해 웨이퍼의 이면을 접촉시키는 웨이퍼 흡착부;

상기 본체의 하부에서, 웨이퍼 흡착부의 가장자리를 둘러싸면서 장착되고, 상기 웨이퍼 흡착부에 흡착되어 있는 웨이퍼가 측방으로 이탈하는 것을 방지하는 리테이너 링; 및

상기 본체의 상부로부터 상기 웨이퍼 흡착부의 가장자리로 슬러리를 제공하는 슬러리 공급 라인을 구비하는 연마 헤드를 제공한다.

상기한 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

반도체 웨이퍼를 흡착하고, 상기 흡착된 웨이퍼 가장자리 부근으로 슬러리를 제공하는 제1 슬러리 공급 라인을 포함하는 연마 헤드;

상기 회전 구동하고, 상부면에 연마 패드가 부착되는 플레튼; 및

상기 연마 패드 상으로 슬러리를 제공하는 제2 슬러리 공급 라인을 포함하는 연마 장치를 제공한다.

상기 제2 슬러리 공급 라인에서 슬러리가 연마 패드 상에 공급되는 일단부는, 상기 플레튼의 중심을 중심으로 하면서 상기 연마 헤드의 중심부를 지나는 동심원 상에 위치한다.

상기 연마 헤드에 포함되는 슬러리 공급 라인으로 웨이퍼의 가장자리 부위에 슬러리가 추가적으로 더 제공된다. 때문에, 상기 웨이퍼 가장자리 부위에 슬러리가 접촉되는 양이 부족함에 따라 웨이퍼의 연마 프로 파일이 불량해지는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 장치의 평면도이다.

도 2는 웨이퍼의 연마가 수행되는 상태를 보여준다.

도 2를 참조하면, 웨이퍼(W)를 흡착하고, 상기 흡착된 웨이퍼(W) 가장자리 부근으로 슬러리를 제공하기 위한 제1 슬러리 공급 라인(60)을 포함하는 연마 헤드(10)가 구비된다. 상기 연마 헤드(10)의 상세한 구성에 관해서는 후술하기로 한다.

상기 회전 구동하고, 상부면에 연마 패드가 부착되는 플레튼(14)이 구비된다. 상기 플레튼(14)의 상부면에 부착되어 있는 연마 패드는 웨이퍼(W)에서 연마되는 면이 직접 접촉된다. 상기 연마 패드는 웨이퍼의 연마 효율 향상 및 슬러리와의접촉을 효과적으로 하기 위해 상부면에 글루브(groove)들이 형성되어 있다.

상기 연마 패드 상으로 슬러리를 제공하는 제2 슬러리 공급 라인(16)을 구비한다. 상기 제2 슬러리 공급 라인(16)에서 슬러리가 연마 패드 상에 공급되는 일단부는, 상기 플레튼(14)의 중심을 중심으로 하면서 상기 연마 헤드의 중심부를 지나는 동심원(15)상에 위치한다. 따라서, 상기 제2 슬러리 공급 라인(16)으로부터 제공되는 슬러리는 상기 플레튼(14)이 회전함에 따라 원심력에 의해 사방으로 퍼져나간다.

상기 연마 패드와 직접 접촉하여 상기 연마 패드를 컨디셔닝하는 연마 패드 컨디셔너(18)가 구비된다. 상기 연마 패드 컨디셔너(18)는 상기 플레튼의 중심으로부터 가장자리까지 직선 운동을 한다. 따라서, 상기 플레튼(14)이 회전 구동하면 상기 연마 패드의 전면이 컨디셔닝된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드의 단면도이다.

이하, 도 3을 참조하여 연마 헤드를 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 상,하 및 회전 구동을 수행하는 본체(30)가 구비된다. 상기 본체(30)는 하우징(32)과, 상기 하우징(32)을 지지하기 위한 베이스(34)을 포함한다.

구체적으로, 상기 하우징(32)은 구동부(도시안함)와 연결되어, 상기 구동부에 의해 수직 방향으로 상,하 구동하고, 회전 구동한다. 상기 하우징(32)은 원반형이며, 그 상부면에서 하부면까지 그 중심부를 관통하여 형성되는 튜브(33)를 포함한다. 상기 하우징(32)의 하부면에서 상기 하우징(32)을 지지하고, 상기 튜브(33)를 중심으로 관통하면서 연장시키는 베이스(34)를 구비한다.

상기 본체(30)의 하부면에 장착되고, 상기 공기 유로에 의해 제공되는 압축 공기에 의해 연마하고자하는 웨이퍼의 이면을 흡착시키는 웨이퍼 흡착부(40)가 구비된다.

상기 웨이퍼 흡착부(40)는, 상기 튜브(33)를 통해 제공되는 공기압을 분배하여 공급하기 위한 천공판(42, perforated plate), 상기 천공판(42)의 하부면을 감싸는 막 형태의 멤브레인(44)으로 구성된다.

구체적으로, 상기 천공판(42)은 상기 베이스(34)의 하부면에 장착된다. 상기 천공판(42)은 소정의 직경을 갖는 원판 형상이고, 그 중심축으로부터 소정의 반경 범위내에는 다수의 관통공(42a)이 형성되어 있다. 상기 관통공(42a)을 통해 상기 튜브(33)를 통해 제공되는 공기압이 하부로 분배한다. 상기 멤브레인(44)은 탄성 재질로 형성된다. 따라서, 천공판(42)을 통해 제공되는 공기압에 의해 탄력적으로 팽창 또는 수축한다.

상기 멤브레인(44)의 하부면에는 상기 웨이퍼(W)의 이면이 접촉되고, 상기 멤브레인(44)이 팽창함에 따라 상기 웨이퍼의 이면에 압력을 가하면서 상기 웨이퍼(W)의 연마가 수행된다.

상기 본체(30)의 하부에서, 웨이퍼 흡착부(40)의 가장자리를 둘러싸면서 장착되고, 상기 웨이퍼 흡착부(40)에 접촉하고 있는 웨이퍼가 측방으로 이탈하는 것을 방지하는 리테이너 링(50)이 구비된다. 상기 리테이너 링(50)은 일반적으로 나사 결합에 의해 상기 베이스(34)에 고정된다.

상기 웨이퍼 흡착부(40) 및 상기 리테이너 링(50) 사이(d)는 0.1 내지 1㎜ 정도 이격되어 있다.

상기 본체(30)의 상부로부터 상기 리테이너 링(50)과 상기 웨이퍼 흡착부 사이로 이어지는 제1 슬러리 공급 라인(60)을 구비한다.

구체적으로, 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)은 본체(30)의 상부로부터 외측면으로 연장된다. 그리고, 상기 리테이너 링(50)의 외측면으로부터 내측면으로 관통하여, 상기 리테이너 링(50)과 상기 웨이퍼 흡착부(40)사이로 이어진다. 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)은 상기 리테이너 링(50)의 저면 및 웨이퍼 흡착부(40)의 저면 아래로 돌출되지 않기 때문에, 웨이퍼의 연마에 어떠한 방해도 주지 않는다.

상기 제1 슬러리 공급 라인(60)에서 상기 리테이너 링(50)과 상기 웨이퍼 흡착부 사이에 제공되는 단부가 아닌 타단부에는 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급 장치가 연결된다. 따라서, 상기 슬러리 공급 장치로 부터 제공되는 슬러리는 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)을 따라 상기 리테이너 링(50)과 상기 웨이퍼 흡착부 (40)사이로 공급된다.

그런데, 상기 리테이너 링(50)은 웨이퍼 흡착부(40)의 가장자리를 둘러싸면서 형성되어 있다. 때문에, 상기 슬러리가 제공되는 부위인 웨이퍼 흡착부(40)와 상기 리테이너 링(50) 사이의 공간은 웨이퍼 흡착부(40)에 장착되어 있는 웨이퍼의 중심부보다는 가장자리의 일정 부위에 가깝게 위치한다. 그러므로, 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)을 통해 제공되는 슬러리는 상기 웨이퍼의 가장자리의 일정 부위에 대부분이 공급된다.

이 때, 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)은 적어도 2개 이상을 구비하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)들 간의 이격 거리는 서로 동일한 것이 바람직하다.

상기 제1 슬러리 공급 라인(60)이 하나만 구비될 경우, 상기 슬러리는 상기 제1 슬러리 공급 라인(60)의 일단부와 가깝게 위치하는 웨이퍼 가장자리의 부분으로만 제공된다. 때문에, 웨이퍼에서 이에 대응하는 가장자리 부분에는 슬러리가 제공되지 않아서 연마가 균일하게 이루어지지 않기 때문이다.

상기와 같이 제1 슬러리 공급 라인(60)을 통해 별도로 웨이퍼 가장자리에 슬러리를 더 공급해 줌으로서, 종래에 상기 연마 공정 시에 웨이퍼의 중심 부분에 슬러리가 집중적으로 제공되어, 웨이퍼의 중심부가 웨이퍼의 가장자리부에 비해 연마가 더 많이 되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 선택적으로 막을 선택할 수 있는 슬러리를 사용할 경우 다발하는 웨이퍼 중심과 가장자리에서의 연마 불균일을 효과적으로 개선할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 연마 장치에서 웨이퍼를 연마하는 방법에 대해 설명한다.

연마 헤드(10)의 웨이퍼 흡착부(40)에 웨이퍼(W)의 이면을 흡착시키고 난 후, 상기 웨이퍼(W)에서 연마가 수행되는 일 면을 플레튼(14)상에 부착되어 있는 연마 패드에 접촉시킨다. 그리고, 상기 연마 헤드(10)는 상기 연마 헤드(10)의 중심을 축으로 하여 회전 구동한다.

이 때, 상기 플레튼(14)은 상기 플레튼(14)의 중심을 축으로하여 회전 구동한다.

그리고, 연마 패드 컨디셔너(18)는 상기 플레튼(14)의 상부에 부착되어 있는 연마 패드에 소정 압력을 가하여 상기 연마 패드를 컨디셔닝한다. 상기 연마 패드 컨디셔너(18)는 상기 플레튼(14)의 중심 및 가장자리로 수평 구동시켜, 상기 연마 패드 전면을 컨디셔닝 한다.

제2 슬러리 공급 라인(16)은 슬러리 공급 장치와 연결되어, 상기 플레튼(14) 상부에 부착되어 있는 연마 패드 상으로 슬러리를 제공한다. 상기 슬러리가 연마 패드 상에 직접 제공되는 부위인 상기 제2 슬러리 공급 라인(16)의 단부는 상기 플레튼(14)의 중심을 중심으로 하고 상기 연마 헤드(10)의 중심부를 지나는 동심원(15)의 상부에 위치한다. 때문에, 상기 슬러리는 연마 헤드(10)에 장착되어 있는 웨이퍼(W)의 중심으로 먼저 제공된 후, 원심력에 의해 웨이퍼(W)의 가장자리 방향으로 퍼져나간다.

그러나, 상기 위치에 제2 슬러리 공급 라인(16)이 위치한다 하더라도, 슬러리가 제공되는 위치가 웨이퍼(W)의 중심 부분으로 고정되어 있기 때문에 웨이퍼(W) 중심 부위에 비해 웨이퍼(W)의 가장자리 부위에는 상대적으로 작은 양의 슬러리가 제공된다.

상기 연마 헤드(10)에 포함되는 제1 슬러리 공급 라인(60)을 통해 웨이퍼 가장자리 부근으로 슬러리를 더 공급한다.

상기 제1 슬러리 공급 라인(60)으로 제공되는 슬러리의 양은 제2 슬러리 공급 라인(16)에 의해 제공되는 슬러리에서 웨이퍼의 중심 및 가장자리와 접촉하는슬러리 양의 차이를 보상하는 만큼이 되도록한다.

따라서 상기 방법에 의하면, 웨이퍼 중심 및 가장자리에 제공되는 슬러리 양의 차이에 의해 발생하는 웨이퍼 연마 균일도 불량을 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 웨이퍼의 각 영역별로 연마 프로파일의 차이를 발생시키지 않으면서, 균일하게 연마 할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 신뢰성 및 공정 불량 감소 등을 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 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 (9)

1. 공기의 유입과 유출을 안내하는 적어도 하나의 공기 유로를 구비하고, 상,하방으로 이동 가능한 본체;

   상기 본체의 하부에 장착되고, 상기 공기 유로를 통해 제공되는 공기압에 의해 웨이퍼의 이면을 접촉시키는 웨이퍼 흡착부;

   상기 본체의 하부에서, 웨이퍼 흡착부의 가장자리를 둘러싸면서 장착되고, 상기 웨이퍼 흡착부에 이면이 접촉되어 있는 웨이퍼가 측방으로 이탈하는 것을 방지하는 리테이너 링; 및

   상기 본체의 상부로부터 상기 웨이퍼 흡착부의 가장자리로 슬러리를 제공하는 슬러리 공급 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 공급 라인은 일단부가 상기 리테이너 링과 상기 웨이퍼 흡착부 사이에 위치하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
3. 제2항에 있어서, 상기 슬러리 공급 라인은 상기 리테이너 링의 외측면으로부터 내측면으로 관통하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 공급 라인의 일단부인 리테이너 링과 상기 웨이퍼 흡착부는 서로 0.1 내지 1㎜ 이격되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
5. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 공급 라인은 적어도 2개를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
6. 제5항에 있어서, 상기 슬러리 공급 라인들은 서로 이격되는 거리가 동일하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
7. 반도체 웨이퍼를 흡착하고, 상기 흡착된 웨이퍼 가장자리 부근으로 슬러리를 제공하는 제1 슬러리 공급 라인을 포함하는 연마 헤드;

   상기 회전 구동하고, 상부면에 연마 패드가 부착되는 플레튼; 및

   상기 연마 패드 상으로 슬러리를 제공하는 제2 슬러리 공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 연마 헤드는,

   공기의 유입과 유출을 안내하는 적어도 하나의 공기 유로를 구비하고, 상,하방으로 이동 가능한 본체;

   상기 본체의 하부에 장착되고, 상기 공기 유로를 통해 제공되는 공기압에 의해 웨이퍼의 이면을 접촉시키는 웨이퍼 흡착부;

   상기 본체의 하부에서, 웨이퍼 흡착부의 가장자리를 둘러싸면서 장착되고, 상기 웨이퍼 흡착부에 이면이 접촉되어 있는 웨이퍼가 측방으로 이탈하는 것을 방지하는 리테이너 링; 및

   상기 본체의 상부로부터 상기 리테이너 링과 상기 웨이퍼 흡착부 사이까지 이어지는 제1 슬러리 공급 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제2 슬러리 공급 라인에서 슬러리가 연마 패드 상에 공급되는 일단부는, 상기 플레튼의 중심을 중심으로 하면서 상기 연마 헤드의 중심부를 지나는 동심원 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.