KR20040026501A - 반도체 소자를 제조하기 위한 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마(CMP) 장치로, CMP장치는 회전가능한 연마패드와 상기 연마 패드 상에 상기 기판을 연마하기 위한 폴리싱 헤드를 포함하며, 상기 폴리싱 헤드는 하부 지지체, 상부 지지체, 멤브레인, 유지링, 그리고 패드 컨디셔너를 구비한다. 상기 멤브레인, 상기 유지링, 그리고 상기 패드 컨디셔너를 가압하는 기체는 각각 적어도 2개의 라인들을 통해서 공급된다. 따라서 멤브레인은 연마 초기에 웨이퍼 전체면을 균일하게 누르고, 상기 유지링은 수평을 유지한 채로 아래로 하강되므로 웨이퍼가 기울어지거나 미끄러지는 것을 방지할 수 있고, 상기 패드 컨디셔너 전체적으로 균일한 압력으로 연마패드를 가압하므로 연마패드 상태를 균일하게 조절할 수 있다.

Description

반도체 소자를 제조하기 위한 화학 기계적 연마 장치{chemical mechanical polishing apparatus for manufacturing semiconductor devices}

본 발명은 반도체 웨이퍼를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적, 기계적으로 연마하는 장치에 관한 것이다.

최근, 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조공정중에는 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마공정이 필수적으로 포함된다. 이러한 연마공정을 수행하기 위한 다양한 연마 방법들이 제시되고 있으며, 이들 중 웨이퍼를 화학적, 그리고 기계적인 연마를 동시에 실시하는 웨이퍼의 연마면을 평탄화하는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP)장치가 널리 사용된다.

기계적 연마는 회전하는 연마패드 위에 웨이퍼를 위치시킨 상태에서 웨이퍼에 소정의 하중을 가하며 웨이퍼를 회전시킴으로써 연마패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이고, 화학적 연마는 연마패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제인 슬러리(slurry)에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.

CMP 장치에서는, 웨이퍼가 그것의 연마면이 턴 테이블을 향하도록 폴리싱 헤드에 장착되고, 웨이퍼의 연마면은 연마 패드가 설치된 턴테이블 상에 놓여진다. 폴리싱 헤드는 턴 테이블의 연마 패드에 대향해 웨이퍼의 후면을 가압한다.

일반적으로 사용되는 폴리싱 헤드의 구조는 다음과 같다.

폴리싱 헤드는 저면에 웨이퍼를 가압하는 멤브레인과 상기 멤브레인을 지지하고 멤브레인에 압력을 가하는 에어와 같은 기체가 유입되는 공간을 제공하는 지지체를 가지고, 멤브레인 및 지지체의 둘레에는 연마 공정시 웨이퍼가 폴리싱 헤드에서 이탈되는 것을 방지하기 위한 유지링이 위치된다. 그리고 유지링의 둘레에는 연마 패드의 표면 상태를 조절하는 컨디셔너가 위치될 수 있다. 폴리싱 헤드의 저면 중심에는 웨이퍼를 진공으로 흡착하기 위한 홀이 형성되어 있다.

일반적으로 멤브레인에 제공되는 에어는 일측으로 치우친 하나의 압력라인을 통해서 공급되는데, 이것은 초기에 멤브레인이 웨이퍼를 전체적으로 균일하게 가압하지 못하게 된다. 이는 연마 균일성(uniformity)에 악영향을 미쳐 결과적으로 제품의 수율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

또한, 유지링을 아래로 가압하는 에어도 일측으로 치우친 하나의 압력라인을 통해 공급되어, 유지링이 한쪽으로 치우친 채 하강되어 웨이퍼가 기울어지거나 미끄러지는 문제점이 발생한다.

또한, 컨디셔너를 가압하는 에어도 일측으로 치우진 하나의 압력라인을 통해 공급되어, 연마패드의 표면상태가 균일하게 조절되지 못하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 연마 초기에 멤브레인이 전체적으로 균일하게 웨이퍼를 가압할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 한쪽으로 치우치지 않고 수평을 유지한 채로 하강할 수 있는 유지링을 가지는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초기에 연마패드의 표면상태를 균일하게 조절할 수 있는 컨디셔너를 가지는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명인 바람직한 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 사시도;

도 2는 도 1의 폴리싱 헤드의 사시도;

도 3은 도 2의 선Ⅰ-Ⅰ을 따라서 절단한 단면도;

도 4는 도 2의 선Ⅱ-Ⅱ을 따라서 절단한 단면도;그리고

도 5는 도 2의 선Ⅲ-Ⅲ을 따라서 절단한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 턴테이블 120 : 연마패드

130 : 슬러리 공급수단 200 : 폴리싱 헤드

210 : 멤브레인 212 : 제 1 공간

214 : 제 1 라인들 220 : 유지링

222 : 제 2 공간 224 : 제 2 라인들

230 : 패드 컨디셔너 232 : 제 3 공간

234 : 제 3 라인들 240 : 하부 지지체

250 : 상부 지지체

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 화학 기계적 연마 장치는 회전가능한 연마패드와 상기 연마 패드 상에 상기 기판을 연마하기 위한 폴리싱 헤드를 포함한다. 상기 폴리싱 헤드는 홀들이 형성된 하부 지지체, 상기 하부 지지체의 상부에 위치하고, 상기 하부 지지체와의 사이에 기체 유입 공간을 제공하는 상부 지지체, 그리고 상기 기체 유입 공간으로부터 상기 하부 지지체의 상기 홀들을 통해 제공되는 기체에 의해 상기 기판을 가압하는, 그리고 상기 하부 지지체의 저면으로부터 이격 가능하도록 상기 하부 지지체를 피복하는 멤브레인을 구비하며, 상기 기체는 상기 멤브레인 전체면에 균일한 압력을 제공하기 위해 적어도 2개의 제 1 라인들을 통해 상기 기체 유입 공간으로 유입된다.

또한, 본 발명의 폴리싱 헤드는 상기 멤브레인에 흡착된 상기 기판을 안정적으로 유지하며, 상기 지지체의 외주면에 위치되는 유지링을 더 구비하고, 상기 유지링을 가압하는 기체는 상기 유지링이 한쪽으로 기울어지는 것을 방지하기 위해 적어도 2개의 제 2 라인들을 통해 제공된다.

또한, 본 발명의 폴리싱 헤드는 상기 연마 패드의 표면 상태를 조절하는 컨디셔너를 더 구비하고, 상기 컨디셔너를 가압하는 기체는 상기 컨디셔너가 전체적으로 균일한 압력에 의해 상기 연마패드를 누르도록 적어도 2개의 제 3 라인들을 통해 제공된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 및 도 5를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.

본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되어진 것이다.

도 1은 본 발명인 CMP장치를 보여주는 사시도이다. 도 1을 참조하면, CMP장치는 턴 테이블(turntable)(110), 연마패드(pollishing pad)(120), 슬러리 공급 아암(slurry supply arm)(130), 폴리싱 스테이션(polishing station)(140), 그리고 폴리싱 헤드(polishing head)(200)를 구비한다.

상기 턴 테이블(110)은 평탄한 상부면을 가지며 상기 폴리싱 스테이션(140) 상에 설치되고, 상기 턴 테이블(110)의 상부에는 상기 연마패드(120)가 설치된다. 상기 연마패드(120) 상부에는 웨이퍼를 흡착 고정하여 상기 연마패드(120)에 대해 푸싱 및 회전을 하며 상기 웨이퍼를 연마하는 폴리싱 헤드(200)가 위치되고, 상기 연마패드(120)의 일측에는 상기 연마패드(120)의 표면에 슬러리를 공급하는 상기 슬러리 공급 아암(130)이 위치된다. 도면에서 300은 상기 폴리싱 헤드(200)를 회전시키는 모터이고 400은 상기 폴리싱 헤드(200)의 회전축이다.

도 2는 본 발명의 폴리싱 헤드의 사시도이고, 도 3 내지 도 5는 각각 도 2에서 선Ⅰ-Ⅰ, 선Ⅱ-Ⅱ, 선Ⅲ-Ⅲ을 따라서 절단한 폴리싱 헤드의 단면을 보여주는 도면이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 폴리싱 헤드는 저면에 하부 지지체(lower supporter)(240), 상부 지지체(upper supporter)(250), 멤브레인(membrane)(210), 유지링(retainer ring)(220), 그리고 패드 컨디셔너(pad conditioner)(230)를 구비한다.상기 폴리싱 헤드의 저면 중심에는 웨이퍼를 진공으로 흡착하기 위한 홀(269)이 형성된다.

상기 상부 지지체(250)는 상기 하부 지지체(240)와 결합되며 상기 멤브레인(210)을 가압할 기체가 유입되는 제 1 공간(212)을 제공한다. 상기 멤브레인(210)은 원형의 얇은 고무막으로 웨이퍼의 후면과 직접적으로 면 접촉하여 상기 웨이퍼를 흡착 또는 가압하는 부분이다. 상기 멤브레인(210)은 상기 하부 지지체(240)의 저면을 감싸도록 위치되며, 상기 제 1 공간(212)에 유입된 기체의 압력에 의해 팽창된다. 상기 하부 지지체(240)에는 상기 제 1 공간(212)에 유입된 기체가 상기 멤브레인(210)을 가압할 수 있도록 복수의 홀들(242)이 형성된다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 폴리싱 헤드(200)는 외부의 기체공급부(도시되지 않음)로부터 상기 제 1 공간(212)으로 기체가 유입되는 통로로 적어도 2개의 제 1 라인들(214)을 가진다. 상기 제 1 라인들(214)은 2 내지 4개가 등간격을 이루면서 상기 상부 지지체(250)에 연결되는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면 연마 초기에 상기 멤브레인(210)이 웨이퍼를 가압할 때, 한쪽으로 치우치치 않고 웨이퍼를 균일하게 가압할 수 있어 연마의 균일성을 유지할 수 있다.

상기 유지링(220)은 상기 상부 지지체(250)와 상기 하부 지지체(240)의 둘레 바깥쪽에 위치되는 환형의 링으로, 연마공정 진행중에 웨이퍼를 안정적으로 유지하여 웨이퍼가 상기 폴리싱 헤드(200)에서 이탈되는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 유지링(220)은 기체의 압력에 의해 상하로 이동가능하며, 이를 위해 상기 유지링(220)의 상측에는 상기 유지링(220)을 가압하는 기체가 유입되는 환형의 제 2 공간(222)이 제공된다.

도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 상기 폴리싱 헤드(200)는 외부의 기체 공급부로부터 상기 제 2 공간(222)으로 유입되는 통로로 적어도 2개의 제 2 라인들(224)을 가진다. 상기 기체가 상기 제 2 공간(222)에 균일하게 공급되도록 상기 제 2 라인들(224)은 등간격을 유지하도록 배치된다.

따라서, 본 발명에 의하면 연마 초기에 상기 유지링(220)이 아래로 하강될 때, 한쪽으로 기울어지지 않고 수평을 유지할 수 있으므로 웨이퍼가 기울어지거나 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.

상기 패드 컨디셔너(230)는 상기 폴리싱 헤드(200)의 저면 가장자리, 즉 유지링(220)을 바깥면을 둘러싸도록 위치된 환형의 링으로, 연마 공정 중 패드 재료 및 슬러리 찌꺼기에 의해 패드가 막혀 연마율이 감소되는 것을 막기 위해 상기 연마 패드 상태(120)를 조절한다.

상기 패드 컨디셔너(230)는 기체의 압력에 의해 하강하여 상기 연마 패드(120)를 가압하며, 상기 패드 컨디셔너(230)의 상측에는 상기 패드컨디셔너(230)를 가압하는 기체가 유입되는 제 3 공간(232)이 제공된다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 폴리싱 헤드(200)는 외부의 기체 공급부로부터 상기 제 3 공간(232)으로 유입되는 통로로 적어도 2개의 제 3 라인들(234)을 가진다. 상기 기체가 상기 제 3 공간(232)에 균일하게 공급되도록 상기 제 3 라인들(234)은 등간격을 유지하도록 배치된다.

따라서, 본 발명에 의하면 패드 컨디셔너(230)는 상기 연마 패드(120)상에 축적된 입자를 균일하게 제거할 수 있다.

본 발명인 화학 기계적 평탄화 장치에 의하면, 연마 초기에 멤브레인을 가압하는 기체는 적어도 2개의 제 1 라인들을 통해 등간격으로 공급되므로, 웨이퍼를 전체적으로 균일하게 가압하여 연마 균일성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 유지링을 가압하는 기체 또한 적어도 2개의 제 2 라인들을 통해 등간격으로 공급되므로, 연마 초기에 유지링이 아래로 하강될 때, 한쪽으로 기울어지지 않고 수평을 유지할 수 있으므로 웨이퍼가 기울어지거나 미끄러지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 컨디셔너를 가압하는 기체도 적어도 2개의 제 3 라인들을 통해 등간격으로 공급되므로, 연마 패드상에 축적된 입자를 균일하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하는 장치에 있어서,

   회전가능한 연마패드와;

   상기 연마 패드 상에 상기 기판을 연마하기 위한 폴리싱 헤드를 포함하되;

   상기 폴리싱 헤드는,

   홀들이 형성된 하부 지지체와;

   상기 하부 지지체의 상부에 위치하고, 상기 하부 지지체와의 사이에 기체 유입 공간을 제공하는 상부 지지체와;

   상기 기체 유입 공간으로부터 상기 하부 지지체의 상기 홀들을 통해 제공되는 기체에 의해 상기 기판을 가압하는, 그리고 상기 하부 지지체의 저면으로부터 이격 가능하도록 상기 하부 지지체를 피복하는 멤브레인을 구비하되, 상기 기체는 상기 멤브레인 전체면에 균일한 압력을 제공하기 위해 적어도 2개의 제 1 라인들을 통해 상기 기체 유입 공간으로 유입되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리싱 헤드는 상기 멤브레인에 흡착된 상기 기판을 안정적으로 유지하며, 상기 지지체의 외주면에 위치되는 유지링을 더 구비하고,

   상기 유지링을 가압하는 기체는 상기 유지링이 한쪽으로 기울어지는 것을 방지하기 위해 적어도 2개의 제 2 라인들을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리싱 헤드는,

   상기 연마 패드의 표면 상태를 조절하는 컨디셔너를 더 구비하고,

   상기 컨디셔너를 가압하는 기체는 상기 컨디셔너가 전체적으로 균일한 압력에 의해 상기 연마패드를 누르도록 적어도 2개의 제 3 라인들을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.