KR20040023225A - 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 설비 - Google Patents

반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화학적 기계적 평탄화(CMP) 기계는 연마 패드가 부착된 플래튼을 갖는 폴리싱 스테이션과, 상기 플래튼의 연마 패드 상에 웨이퍼를 폴리싱 하기 위한 폴리싱 헤드 및; 상기 연마 패드 상으로 유체를 제공하는 제1세정 장치를 포함하되; 상기 세정 장치는 상기 폴리싱 헤드의 운동 궤적을 따라 상기 연마 패드를 세정할 수 있도록 상기 폴리싱 헤드에 설치된다.

Description

반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 설비{an apparatus for polishing semiconductor wafer}
본 발명은 반도체 칩 제조 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 반도체 제조시에 사용되는 화학적 기계적 연마 설비에 관한 것이다.
현재의 화학적 기계적 연마 프로세스(Chemical-Mechanical Polish processes)는 다양한 연마 패드를 사용한다. 일반적으로, 이러한 패드는 우레탄 물질로 이루어지며, 연질 또는 경질로서 특징 지워진다. 연마 패드는 최적의 편평한 표면을 제공한다. 그러나, 상기 연마 패드는 웨이퍼를 연마하는 동안 잔여물과 찌꺼기 슬러리(waste slurry)로 글레이징(glazing)되는 경향이 있다. 이러한 글레이징은 패드 수명과 연마 결과를 열화시킨다.
현재의 CMP 설비는 연마 종료 후 연마 패드위에 남게 되는 잔류물들(찌꺼기 슬러리와 연마시 웨이퍼로부터 떨어져 나간 이물질들)을 제거하는 구조적 장치가 마련되지 않았다. 결국, 상기 잔류물들은 후속 연마 공정시 웨이퍼에 스크래치와 결함의 오염원으로 작용한다.
본 발명의 목적은 연마를 마친후 연마 패드상에 남게 되는 잔류물들을 제거할 수 있는 새로운 형태의 화학적 기계적 연마 설비를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMP 장치의 구성을 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도;
도 3은 도 2에 표시된 X방향에서 바라본 폴리실 헤드의 저면도;
도 4는 노즐의 사시도;
도 5a 내지 도 5c는 연마패드의 세정 과정은 설명하기 위한 도면들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 폴리싱 스테이션
112 : 연마 패드
120 : 폴리싱 헤드 어셈블리
130 : 폴리싱 헤드
132 : 캐리어
134 : 리테이너링
138 : 다공판
150 : 제1세정장치
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 웨이퍼연마 장치는 연마패드가 부착된 플래튼을 갖는 폴리싱 스테이션과; 상기 플래튼의 연마 패드 상에 웨이퍼를 폴리싱 하기 위한 폴리싱 헤드 및; 상기 연마 패드 상으로 유체를 제공하는 제1세정 장치를 갖는다. 상기 세정 장치는 상기 폴리싱 헤드의 운동 궤적을 따라 상기 연마 패드를 세정할 수 있도록 상기 폴리싱 헤드에 설치된다.
이와 같은 본 발명에서 상기 제1세정 장치는 상기 폴리싱 헤드의 측면에 설치되는 그리고 노즐들을 갖는다. 이 노즐들은 상기 연마패드의 표면으로부터 10mm 높이를 두고 상기 폴리싱 헤드에 설치된다. 노즐은 저면에 홈을 갖으며, 이 홈에 분사공이 형성된다.
이와 같은 본 발명에서 상기 폴리싱 헤드는 유체를 상기 노즐들로 공급하기 위한 공급관을 더 포함한다. 상기 폴리싱 헤드는 상기 연마 패드의 표면 상태를 컨디셔닝하기 위한 컨디셔너를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명에서 상기 컨디셔너는 고리형상의 디스크로 이루어지고, 이 컨디셔너는 상기 폴리싱 헤드의 가장자리에 설치된다.
이와 같은 본 발명에서 상기 CMP 설비는 상기 연마 헤드를 둘러싸는 그리고 웨이퍼 연마 과정에서 슬러리의 찌꺼기 등이 설비 주변으로 튀는 것을 방지하기 위한 커버를 더 포함한다. CMP 설비는 상기 커버의 안쪽면을 세정하기 위하여 상기 커버의 안쪽면으로 세정액이 흐르도록 상기 커버에 설치되는 제2세정장치를 더 포함한다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면 도 1 내지 도 5c에 의거하여 상세히 설명한다. 또 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 장치(100)는 연마 패드(112)가 부착되어진 회전 가능한 턴 테이블(114)이 설치된 폴리싱 스테이션(110)과 폴리싱 헤드 어셈블리(120)를 갖는다.
상기 턴 테이블(114)은 턴 테이블을 회전시키기 위한 수단(미도시됨)에 연결되어지며, 가장 양호한 폴리싱 과정에서, 상기 회전 수단은 상기 턴 테이블(114)을 분당 약 50 내지 80회전수로 회전시킨다. 물론, 회전 수단의 회전속도는 이보다 낮거나 높을 수 있다. 상기 연마 패드(112)는 거친 폴리싱 면을 갖는 복합재료일 수 있다. 상기 폴리싱 스테이션(110)은 반응시약(예, 산화폴리싱용 탈이온수)과 마찰 입자(예, 산화폴리싱용 이산화규소)와 화학 반응 촉매(예, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함하는 슬러리를 연마 패드의 표면에 공급하기 위한 통상의 슬러리 공급 수단(미도시됨)을 포함한다.
상기 폴리싱 헤드 어셈블리(120)는 폴리싱 헤드(130), 커버(140), 구동축(122) 그리고 모터(124)를 포함한다. 폴리싱 헤드(130)는 연마 패드(112)에대향해서 웨이퍼(10)를 유지하고 웨이퍼(10)의 후면으로 하향 압력을 균일하게 분포시킨다. 폴리싱 헤드(130)는 모터(124)에 연결된 구동축(122)에 의해 분당 40 내지 70 회전수로 회전할 수 있다. 물론, 회전속도는 이보다 낮거나 높을 수 있다. 또, 폴리싱 헤드(130)에는 가스압을 제공하거나, 또는 웨이퍼를 진공으로 흡착하기 위한 진공압을 제공하는 적어도 2개의 기체 공급 채널들이 연결될 수 있다. 물론, 이들 기체 공급 채널들에는 밸브, 변환기(transducer) 그리고 조절기(regulator)가 설치된다. 상기 커버(140)는 웨이퍼 연마 과정에서 슬러리의 찌꺼기 등이 설비 주변으로 튀는 것을 방지한다.
다음에는 도 2 내지 도 3을 참조하면서 폴리싱 헤드(130)를 구체적으로 설명한다.
도 3을 참고하면, 상기 폴리싱 헤드(130)는 캐리어(132), 리테이너 링(retainer ring;134), 다공판(perforated plate;138), 유연한 재질의 멤브레인(139), 컨디셔너(136) 그리고 제1세정장치(150)를 포함한다.
상기 캐리어(132)는 질소(N2) 가스압(또는 공기압)이나 진공압이 전달되어지는 통로들(미도시됨)과, 상기 제1세정장치(150)로 세정액을 공급하기 위한 통로(152)를 구비한다. 이들 통로들은 외부의 유체 공급채널들(미도시됨)과 연결된다.
한편, 상기 캐리어(132)의 하단 가장자리에는 컨디셔너(136)가 설치된다. 이 컨디셔너(136)는 상기 연마 패드(112)의 표면 거칠기 상태를 회복시키기 위한 것이다. 이 컨디셔너(136)는 고리형상의 디스크로 이루어진다. 상기 컨디셔너(136)의안쪽으로는 리테이너 링(134)이 설치된다. 이 리테이너 링(134)은 연마 공정시 웨이퍼가 외부로 이탈하는 것을 방지한다. 상기 다공판(138)은 캐리어(132)의 하단 중앙부분에 설치된다. 상기 멤브레인(139)은 상기 다공판의 저면을 감싸도록 피복된다. 상기 멤브레인(139)은 웨이퍼의 후면과 직접적으로 면 접촉하는 얇은 고무막으로, 압력을 받으면 팽창하여 웨이퍼의 후면으로 로드를 가한다.
이들(리터이너 링, 컨디셔너, 다공판)은 상기 캐리어(132)의 통로들을 통하여 전달되는 가스압이나 진공압에 의하여 눌러질 수 있다.
한편, 상기 폴리싱 헤드(130)에는 상기 연마 패드(112)상으로 세정액을 제공하는 제1세정장치(150)가 설치된다. 이 제1세정장치(150)는 다수의 노즐(154)들로 이루어진다. 상기 제1세정장치(150)는 상기 연마 패드(112)위에 남아있는 잔류물들(찌꺼기 슬러리와 연마시 웨이퍼로부터 떨어져 나간 이물질들)을 씻어내기 위한 것이다. 이들 노즐(154)들은 상기 폴리싱 헤드의 측면에 일정간격을 두고 8개가 설치된다. 상기 노즐(154)들은 상기 폴리싱 헤드(130)의 운동 궤적을 따라 상기 연마 패드(112)상에 세정액을 뿌린다. 상기 폴리싱 헤드(130)는 상기 노즐(154)들로 세정액을 제공하기 위한 공급통로(152)들을 갖는다. 상기 노즐(154)들은 상기 연마 패드(112)의 표면으로부터 10mm 높이를 두고 설치되는 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(154)은 저면에 분사공(156)을 갖으며, 이 분사공(156)은 저면에 형성된 홈(158)상에 형성된다. 이러한 구조를 갖는 상기 노즐(154)은 세정액을 보다 넓은 범위에 뿌릴 수 있는 것이다. 특히, 상기 노즐(154)들은 상기 폴리싱 헤드(130)의 운동 궤적에 따라서 이동됨으로써 세정액을 연마 패드상에 골고루 뿌릴 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서는 노즐의 분사방식을 적용한 세정장치를 사용하지만, 이는 하나의 실시예에 불과하다. 본 발명의 제1세정장치는 노즐을 이용한 분사방식, 단순 플로우(flow)방식 또는 드롭(drop)방식을 병행 또는 독립적으로 사용할 수 있다.
한편, 상기 커버(140)의 내측면 상단에는 노즐(142)들이 설치된다. 이들은 연마과정에서 슬러리 찌꺼기 등이 상기 커버(140)의 내측면에 달라붙지 않도록 세정액을 지속적으로 커버(140)의 내측면으로 플로우한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 연마패드의 세정 방법은 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c를 참고하면, 우선 상기 연마 패드(112)에 세정액을 뿌린다. 세정액은 상기 연마 패드(112)상에 잔류하는 이물질들과 혼합된다. 상기 폴리싱 헤드(130)는 상기 컨디셔너(136)가 상기 연마 패드(112)의 표면에 닿도록 하강된 후, 회전과 좌우 왕복 운동을 실시한다. 상기 컨디셔너(136)는 상기 폴리싱 헤드(130)의 회전에 의해 상기 연마 패드(112)의 표면을 컨디셔닝한다. 그리고 상기 연마 헤드(130)는 좌우 이동을 통해 상기 연마 패드(112)상의 세정액(이물질이 혼합된 세정액)을 연마 패드 밖으로 밀어낸다. 여기서, 상기 연마 패드상에서 상기 폴리싱 헤드(130)의 이동은 상기 폴리싱 스테이션의 이동 또는 폴리싱 헤드의 이동에 의해 이루어질 수 있으며, 그 이동에 필요한 수단은 생략했다.
이처럼, 본 발명에 따른 연마 패드의 세정 방법은 연마 헤드의 좌우 이동을 통해 연마 패드상에 이물질들을 세정액과 함께 연마 패드 밖으로 밀어냄으로써, 보다 효과적으로 연마 패드상의 이물질들을 제거할 수 있다.
한편, 상기 커버(140) 안쪽으로는 상기 연마 헤드(130)의 작동에 의해 와류성 난류가 발생된다. 이 기류는 상기 커버(140)의 내측면이나 상기 연마 헤드(130) 등이 기타 구조물들에 붙어있는 오염원(파티클)들을 떨어뜨려서, 연마 공정시의 스크래치 등의 원인이 된다. 하지만, 본 발명에서는 상기 커버(140)의 내측면으로 세정액을 흐르게 함으로써, 오염원들이 세정액의 점성으로 세정액에 흡착된 후, 세정액을 따라 외부로 배출된다. 그리고, 상기 노즐(142)을 통해 상기 커버(140)의 내측면으로 세정액이 흐르기 때문에, 커버(140)의 내부 공간의 습도를 높게 유지시켜 건조로 인한 파티클의 경화를 막을 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예들을 예시하고 그 것을 통해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 거기에 한정되는 것이 아님을 유의해야 하며, 본 발명의 사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양한 실시예들 및 변형예들이 있을 수 있다는 것을 잘 이해해야 한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 연마 패드상에 잔류하는 이물질이 세정액과 함께 상기 연마 헤드의 회전 및 좌우이동을 통해 연마 패드 밖으로 밀어냄으로써, 연마 공정시 웨이퍼에 스크래치와 결함을 최소화 할 수 있다.

Claims (9)

  1. 웨이퍼의 평탄화 공정을 위한 CMP 설비에 있어서:
    연마 패드가 부착된 플래튼을 갖는 폴리싱 스테이션과;
    상기 플래튼의 연마 패드 상에 웨이퍼를 폴리싱 하기 위한 폴리싱 헤드 및;
    상기 연마 패드 상으로 유체를 제공하는 제1세정 장치를 포함하되;
    상기 세정 장치는 상기 폴리싱 헤드의 운동 궤적을 따라 상기 연마 패드를 세정할 수 있도록 상기 폴리싱 헤드에 설치되는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1세정 장치는 상기 폴리싱 헤드의 측면에 설치되는 그리고 노즐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐들은 상기 연마패드의 표면으로부터 10mm 높이를 두고 상기 폴리싱 헤드에 설치되는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐은 저면에 홈을 갖으며, 이 홈에 분사공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리싱 헤드는 유체를 상기 노즐들로 공급하기 위한 공급관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리싱 헤드는
    상기 연마 패드의 표면 상태를 컨디셔닝하기 위한 컨디셔너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨디셔너는 고리형상의 디스크로 이루어지고, 이 컨디셔너는 상기 폴리싱 헤드의 가장자리에 설치되는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 CMP 설비는
    상기 연마 헤드를 둘러싸는 그리고 웨이퍼 연마 과정에서 슬러리의 찌꺼기 등이 설비 주변으로 튀는 것을 방지하기 위한 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 CMP 설비는
    상기 커버의 안쪽면을 세정하기 위하여 상기 커버의 안쪽면으로 세정액이 흐르도록 상기 커버에 설치되는 제2세정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비.
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