KR20040070444A - 연마 패드 윈도우용 산란방지층 - Google Patents

연마 패드 윈도우용 산란방지층 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학적 기계적 평면화(CMP)에 사용되는 연마 패드 윈도우용 산란방지층에 관한 것이다. 본 발명에서 윈도우가 조면화된 하단 표면을 갖는 환경에서의 특별한 용도를 발견하였다. 당해 산란방지층은 CMP 공정을 수행하는 웨이퍼의 동일계 광학 측정을 수행하는 동안 광산란을 현저하게 감소시키는 방식으로 윈도우의 조면화된 하단 표면 위에 형성된다. 감소된 광산란은 신호 강도를 증가시키며, 이는 동일계 광학 측정 능력을 강화시킨다.

Description

연마 패드 윈도우용 산란방지층{Anti-scattering layer for polishing pad windows}
본 발명은 화학적 기계적 평면화(CMP: Chemical Michenical Planarization)용 연마 패드, 특히 광학적 엔드 포인트의 검출을 위해 연마 패드 속에 형성된 윈도우를 포함하는 연마 패드에 관한 것이다.
집적회로 및 기타 전자 디바이스의 제작에서, 도체, 반도체 및 유전체 물질로 이루어진 다중 층이 증착되거나 반도체 웨이퍼 표면으로부터 제거된다. 도체, 반도체 및 유전체 물질의 박막은 다수의 증착 기술에 의해 증착된다. 현재 공정에서의 일반적인 증착 기술은, 스퍼터링으로도 공지된 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 화학적 기상 증착(PECVD) 및 전기도금(ECP)을 포함한다.
물질들의 층이 연속으로 증착되고 제거되기 때문에, 기판의 최상단 표면(uppermost surface)이 표면을 따라서 평면이 아니며, 평면화 작업이 필요할 수도 있다. 표면의 평면화, 또는 표면의 "연마"는 웨이퍼 표면으로부터 물질을 제거하여 대체로 고르고 평면인 표면을 형성시키는 공정이다. 평면화는 바람직하지 않은 표면 지형 및 표면 결함, 예를 들면, 조면화된 표면, 응집된 물질, 결정 격자 손상, 스크래치 및 오염된 층이나 물질의 제거에 유용하다. 평면화는 또한 디바이스의 구조(feature)를 채우기 위해 사용된 과잉의 증착 물질을 표면에서 제거하여 디바이스를 형성하고, 이후의 금속화 및 가공의 수평을 위한 평탄한 표면을 제공하는데에 유용하다.
화학적 기계적 평면화, 또는 화학적 기계적 연마(CMP)는 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 평면화에 적용되는 일반적인 기술이다. 통상의 CPM에서, 웨이퍼 캐리어 또는 연마 헤드는 캐리어 어셈블리 위에 장착되어, CPM 장치 내에서 연마 패드와 접촉하게 위치한다. 캐리어 어셈블리는 기판에 조절이 가능한 압력을 제공하여 연마 패드에 대해 웨이퍼를 압착시킨다. 당해 패드는 외부 구동력에 의해 기판에 대하여 임의로 이동(예: 회전)한다. 이외 동시에, 화학적 조성물(즉, 슬러리) 또는 기타 유체 매질이 기판 위 및 웨이퍼와 연마 패드 사이를 유동한다. 따라서 웨이퍼 표면이, 연마 패드 표면과 슬러리의 화학적 기계적 작용에 의한 기판 표면으로부터의 물질의 선택적 제거 방식으로 연마된다.
웨이퍼의 평면화에서 대두되는 문제점은 당해 공정을 종결하는 시점인 것으로 공지되어 있다. 이러한 목적을 위해, 다양한 평면화 엔드 포인트 검출 설계가 계발되어 왔다. 하나의 이러한 설계는 웨이퍼 표면의 동일계 광학 측정(optical in-situ measurement)을 포함하고, 이는 미국 특허공보 제5,964,643호에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참조 문헌으로서 인용된다. 광학 기술은 광파장을 선택하기 위한 투명 윈도우를 갖는 연마 패드를 제공함을 포함한다. 광빔이 윈도우를 통해 반도체 웨이퍼에 도달하고, 여기서 광빔이 반사되어 윈도우를 거쳐 검출기(예: 간섭계)로 되돌아간다. 리턴 신호를 근거로 웨이퍼 표면의 특성, 예를 들면, 표면 위의 필름(예: 산화물 층)의 두께를 측정할 수 있다.
연마 패드 윈도우용으로 다수의 물질 유형이 사용될 수 있는데, 실제로 윈도우는 통상적으로 연마 패드와 동일한 물질(예: 폴리우레탄)로 제조된다. 예를 들면, 미국 특허공보 제6,280,290호에는 폴리우레탄 플러그의 형태인 윈도우를 갖는 연마 패드가 기술된다. 당해 패드는 개구부(aperture)를 가지며, 윈도우는 개구부에 접착되어 고정된다.
윈도우가 조면화된 경우 이러한 윈도우에 문제점이 발생한다. 예를 들면, 폴리우레탄 윈도우는 통상적으로 폴리우레탄 블럭을 절편으로 분할(slicing)하여 형성시킨다. 불행하게도 당해 분할 공정은 윈도우의 양쪽 측면에 미세 홈(microgroove)을 형성시킨다. 미세 홈의 깊이는 약 10 내지 100㎛ 범위이다.윈도우의 하단 표면(bottom surface)의 미세 홈은 웨이퍼 표면의 지형을 측정하기 위해 사용되는 광을 산란시켜서, 그 결과 동일계 광학 측정 시스템에서의 신호 강도를 감소시킨다. 윈도우의 상단 표면에는 액상 슬러리가 존재하고 윈도우의 상단 표면(upper surface)은 웨이퍼에 인접하기 때문에, 상단 표면의 미세 홈은 하단 표면의 미세 홈 만큼 광을 산란시키는 경향은 없다.
하단 윈도우 표면으로 인한 산란으로 인해 신호 강도가 손실되기 때문에, 측정 해상도가 떨어지며, 측정치가 일정하지 않은 것이 문제이다. 또한 연마 공정 동안에 신호 손실의 다른 원인이 발생하기 때문에, 어떤 시점에서는 패드 또는 패드 윈도우를 교체하는 것이 필요하다.
도 1은 윈도우의 하단 표면에 형성된 산란방지층을 갖는 윈도우를 갖는 연마 패드, 연마 패드의 상단 표면에 근접하게 위치하는 웨이퍼 및 동일계 광학 검출 시스템의 기본 소자를 보여주는, CMP 시스템의 횡단면의 확대도이다.
본 발명은 연마 패드에 투명 윈도우를 적용한 CMP 시스템에서 사용되는 엔드 포인트 검출 시스템에서의 광산란 문제를 다룬다.
본 발명의 한가지 양태는 개구부를 갖는 연마 패드 몸체를 포함하는 장치이다. 윈도우는 개구부에 고정되며, 당해 윈도우는 윈도우에 입사되는 광의 10% 이상을 산란시킬 수 있는 표면 조도를 갖는 하단 표면(lower surface)을 갖는다. 산란방지층을 윈도우의 하단 표면에 형성하여, 조면화된 하단 표면에 의한 광산란을 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 양태는 CMP 시스템에서의 웨이퍼의 동일계 광학 측정의 수행 방법에 관한 것이다. 당해 방법은 윈도우를 갖는 연마 패드가 장착된 CMP 시스템을 제공함을 포함하며, 당해 윈도우는 산란방지층이 형성된 조면화된 하단 표면을 가지며, 제1 광빔은 산란방지층과 윈도우를 통해 웨이퍼에 도달한다. 당해 방법은 추가로, 윈도우로부터 제1 광빔이 반사되어, 윈도우와 산란방지층을 다시 통과하는 제2 광빔을 형성함을 포함한다. 당해 방법은 또한 제2 광빔을 검출하여, 검출된 제2 광빔을 전기적 신호로 전환하고, 당해 전기적 신호를 처리하여 웨이퍼의 하나 이상의 특성을 산출함을 포함한다.
본 발명의 양태에 대한 하기의 상세한 설명에서, 본원의 일부를 이루는 첨부된 도면에 대해 언급되었으며, 본 발명을 실시할 수 있는 특정한 양태가 예시를 위해 제시된다. 이들 양태는 당해 분야의 숙련가들이 본 발명을 실시하기에 충분하게 상세하게 기술되었으며, 다른 양태가 사용될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 변형이 가능함이 이해되어야 한다. 따라서 하기의 상세한 설명은 본 발명의 범위를 한정하지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정의된다.
도 1은 연마 패드(10)의 횡단면의 확대도이다. 연마 패드(10)는 상단 표면(12)과 하단 표면(14)을 포함하는 몸체 영역(11)을 갖는다. 연마 패드(10)는 공지된 임의의 연마 패드일 수 있는데, 예를 들면, 우레탄 함침된 펠트, 미국 델라웨어주 뉴어크에 소재한 로델 인코포레이티드(Rodel Inc.)에서 폴리텍스(POLYTEX)의 상표명으로 시판하는 미세다공성 우레탄 패드 또는 로델 인코포레이티드에서 제조한 충전된/되거나 발포된 복합재 우레탄(예: IC 시리즈 및 MH 시리즈)이 있다.
연마 패드(10)는 또한 몸체(11)에, 원도우(30)가 고정되어 있는 개구부(18)를 포함한다. 하나의 예시적 양태로서, 윈도우(30)가 개구부에 영구적으로 고정되는 한편, 또 다른 예시적 양태로서, 개구부에 고정되어 있는 윈도우의 제거가 용이하다. 윈도우(30)는 상단 표면(32)과 하단 표면(34)을 포함하는 몸체 영역(31)을 갖는다. 윈도우(30)는, 평면화 공정에서 웨이퍼(W)의 동일계 광학 측정을 수행할 때 사용되는 광파장을 투과시킨다. 파장의 예는 190 내지 3500㎚ 범위이다.
윈도우(30)는 이의 하나 이상의 표면에 조면화된 표면(40)을 가질 수 있는 임의의 물질(예: 폴리우레탄, 아크릴, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리에스테르 등과 같은 중합체)로 제조된다. 본 발명의 예시적 양태에서, 조면화된 표면(40)은 동일계 엔드 포인트 측정을 수행하는 경우에 입사되는 광의 상당량(예: 10% 이상)을 산란시킬 수 있다.
예시적 양태에서, 조면화된 표면(40)은 더 큰 윈도우 물질 블럭으로부터 절단하여 윈도우를 형성하는 데에 사용되는 장비(도면에 도시하지 않음)로부터 발생한다. 그러나 조면화된 표면(40)은 재료 고유의 표면 조도, 원도우 재료의 비연마, 윈도우 재료의 부적절한 연마 등과 같은 다수의 다른 원인으로부터 발생할 수도 있다.
도 1에서 윈도우(30)는 하단 표면(34) 위에 형성된 산란방지층(50)을 포함한다. 산란방지층(50)은 하단 표면(34)의 계면에 상단 표면(52)을 갖고, 당해 상단 표면의 반대편에 하단 표면을 갖는다. 산란방지층(50)은 평면화 과정에서 웨이퍼의 동일계 광학 측정의 수행에 사용되는 하나 이상의 광파장에 대해 투명한 임의의 물질로부터 형성된다. 또한, 예시적 양태에서, 산란방지층(50)은 윈도우(30)의 굴절율과 되도록 근사한 굴절율을 갖는다. 예시적 양태에서, 윈도우(30)는 파장 670㎚(이는 다이오드 레이저의 파장임)에서 굴절율이 1.55인 폴리우레탄으로 제조된다. 또한, 예시적 양태에서, 산란방지층(50)은 670㎚에서 본질적으로 동일한 굴절율 1.55를 갖는 폴리우레탄이다. 또 다른 예시적 양태에서, 산란방지층(50)은 윈도우(30)와 동일한 물질로부터 형성된다.
예시적 양태에서, 산란방지층(50)은 투명 용제계 라커(solvent-borne laquer), 예를 들면, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 기타 투명한 가용성 중합체를 포함한다. 또 다른 예시적 양태에서, 산란방지층(50)은 방사선 경화성 피복물, 예를 들면, 자외선(UV) 경화성 아크릴 또는 폴리우레탄을 포함한다. 또 다른 예시적 양태에서, 에폭시, 폴리우레탄 및/또는 아크릴과 같은 두개 이상의 성분의 피복물이 배합된다. 그 외의 예시적 양태에서, 단일 성분인 공기 경화성 투명 피복물, 예를 들면, 수분 경화성 폴리우레탄, 산소 중합성 에나멜 및 대기에 노출되어 경화되는 기타의 피복물이 산란방지층(50)의 형성에 사용된다. 마찬가지로, 또 다른 예시적 양태에서, 가온 용융(hot melt) 필름 및 분말 피복물과 같은 가온 용융 피복물이 사용될 수 있다. 요컨데, 결과적으로 하단 표면(34)의 표면 조도를 감소시키도록 작용하는 임의의 투명 피복물이 산란방지층(50)으로 사용하기에 적합하다.
물질이 도포되기에 적합한 임의의 공지된 기술, 예를 들면, 분무 피복, 침지, 브러싱, 용융 등에 의해 산란방지층(50)이 하단 표면(34) 위에 형성된다. 산란방지층(50)이 하단 표면(34) 위의 조면에 대해 등각이어서 산란을 최소화시키면서, 실질적으로 평탄한 하단 표면(54)을 가질 만큼 두꺼운 것이 바람직하다. 예시적 양태에서, 하단 표면(54)은 연마에 의해 평탄하게 된다. 또 하나의 예시적 양태에서, 하단 표면(54)은 본질적으로, 층의 형성에 사용되는 기술에 의해, 적절하게 평탄한 표면을 형성한다. 예를 들면, 윈도우 위에서 폴리우레탄의 절편을 용융시키고 용융된 물질을 유동시켜서 조면화된 표면(40)을 메우고, 당해 물질이 반대편 표면위로 유동하여 평탄한 하단 표면(54)을 형성할 것이다.
하단 표면(54)이 완전히 평탄할 필요는 없음을 인지하는 것이 중요하다. 예를 들면, 하단 표면(54)은 광을 산란시키지는 않고 단지 약간의 각도로만 광을 반사시키는 정도로만 완만하게 가변적인 표면 곡률을 가질 수 있다. 그 이유는, 산란방지층(50)이 동일계 광학 측정 시스템에서의 신호 감소의 주요 원인인 광산란을 차단하도록 설계되기 때문이다.
작동 방법
계속 도 1을 언급하면서, 측정 대상인 표면(62)을 갖는 웨이퍼(W)의 동일계 광학 측정의 수행을 위한 본 발명의 작동법을 하기에 기술한다. 장치의 작동시, 제1 광빔(70)이 광원(71)으로부터 발생되어 웨이퍼 표면(62)에 도달한다. 제1 광빔(70)은 윈도우(30) 및 산란방지층(70)에 의해 투과되는 파장을 갖는다.
제1 광빔(70)은 산란방지층(70), 윈도우 하단 표면(34), 윈도우 몸체 부분(31), 윈도우 상단 표면(32) 및 갭(66)을 지나서 웨이퍼 표면(62)에 도달한다. 갭(G)은 실제로 굴절율 정합액(index-matching fluid)으로서 작용하여, 윈도우 하단 표면(34) 위의 조면화된 표면(40)으로부터의 광산란을 감소시키는 슬러리(68)(도면에 도시하지 않음)로 충전되어 있다. 제1 광빔(70)(또는, 특히 이들의 일부)은 웨이퍼 표면(62)로부터 반사된다. 웨이퍼 표면(62)은 본원의 도면에 도시되어 있다. 실제로 웨이퍼 표면(62)은 상이한 필름들(예: 산화물 피복물들)에 의해 웨이퍼 표면에 존재하는 표면 지형 또는 하나 이상의 계면이다.
웨이퍼 표면으로부터의 제1 광빔(70)의 반사는, 제1 광빔(70)의 입사 경로를 따라 되돌아 나가는 제2 광빔(72)을 형성시킨다. 예시적 양태에서, 웨이퍼 표면(62)은 웨이퍼 표면에 존재하는 하나 이상의 필름에 의한 다중 계면을 포함하고, 반사되는 광빔(72)은 다중 반사로 인한 간섭 정보를 포함한다.
웨이퍼 표면(62)으로부터의 반사에서, 제2 광빔(72)은 갭(G)(갭에 존재하는 슬러리 포함)을 지나, 윈도우 상단 표면(32), 윈도우 몸체 부분(31), 윈도우 하단 표면(34) 및 최종적으로 산란방지층(50)을 통과한다. 웨이퍼 표면(62)으로부터의 재귀반사에 의해, 웨이퍼 표면에서의 반사를 포함하는 각각의 계면으로부터의 반사가 두배임을 인지할 필요가 있다. 다시 말하면, 광은 웨이퍼의 실질적인 표면 자체를 제외하고는 각각의 계면을 두번 통과한다. 그 결과 본래의 광빔에 비해 에너지가 현저하게 감소되며, 이는 감소된 신호 강도로 변환된다.
산란방지층(50)의 존재시, 제2 광빔(72)이 검출기(80)에 의해 검출된다. 예시적 양태에서, 빔 분할기(beam splitter)(도면에 도시하지 않음)를 사용하여 제1 광빔(70)과 제2 광빔(72)을 분리시킨다. 그 다음 검출기(80)는 검출된 광을 전기적 신호(81)로 전환하고, 당해 신호는 컴퓨터(82)에 의해 처리되어, 웨이퍼(60)의특성에 관한 정보, 예를 들면, 필름 두께, 표면 평면도(surface planarity) 및 표면 평탄도(surface flatness) 등을 산출한다.
윈도우(30)가 산란방지층(50)을 포함하기 때문에, 윈도우 하단 표면(34)의 조면화된 표면(40)으로부터의 광 손실이 크게 감소한다. 이는 윈도우가 산란방지층을 포함하지 않는 경우보다 신호 강도가 커지게 한다. 본 발명자는 상기 기술된 유형의 조면화된 표면을 갖는 연마 패드 윈도우에 대한 실험을 수행하였다. 본 발명자는 산란방지층(50)의 존재 및 부재 하에 제2 광빔(72)의 신호 강도를 측정하여, 본 발명의 산란방지층(50)을 사용하는 경우 신호 강도가 3배로 증가됨을 발견하였다.
이러한 신호 강도의 증가로, 웨이퍼 표면 파라메터의 동일계 광학 측정이 상당히 향상된다. 특히 신뢰도 및 측정치의 정확성이 향상된다. 또한 패드의 수명이 연장될 수 있는데, 그 이유는, 더 강해진 신호에 의해 신호 감소의 다른 원인의 중요성이 감소되었기 때문이다. 달리 말하자면, 조면화된 하단 윈도우 표면(34)으로부터의 산란이 감소하기 때문에, 패드 또는 윈도우를 교체하지 않아도, 그 밖의 산란의 원인들(예: 연마 과정에서의 윈도우 상단 표면의 조도 증가 및 평면화 공정으로부터 비롯된 파편량의 증가)이 보다 많아지는 것을 무시할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태가 기술되고 설명되었다. 그러나, 당해 기술 사항 및 설명 사항은 단지 예시를 위한 것이다. 본 발명의 범위 내에서 기타의 양태 및 실시가 가능하며, 이들은 당해 분야의 숙련가들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원 명세서의 특정한 상세한 설명, 대표적인 양태 및 설명된 예에 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 이들의 등가물에 의한 경우 이외에는 한정되지 않는다.

Claims (8)

  1. 개구부를 갖는 연마 패드 몸체, 개구부에 고정되어 있고, 윈도우에 입사된 광을 산란시킬 수 있는 표면 조도를 갖는 하단 표면을 갖는 윈도우, 및 윈도우의 하단 표면 위에 형성되어 조면화된 하단 표면에 의한 광산란을 감소시키는 산란방지층을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 표면 조도가 윈도우에 입사된 광의 10% 이상을 산란시킬 수 있는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 산란방지층이 투명 용제계 라커를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 산란방지층이 방사선 경화성 투명 물질을 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 윈도우를 형성하는 물질과 산란방지층을 형성하는 물질이 동일한 물질인 장치.
  6. 상단 표면과 하단 표면을 갖는 윈도우 몸체(여기서, 하단 표면은 윈도우에 입사된 광의 10% 이상을 산란시키기에 충분한 표면 조도를 갖는다) 및 윈도우의 하단 표면 위에 형성되어 조면화된 하단 표면에 의한 광산란을 감소시키는 산란방지층을 포함하는, 화학적 기계적 평면화(CMP) 시스템용 연마 패드를 위한 윈도우.
  7. 산란방지층이 형성되어 있는 조면화된 하단 표면을 갖는 윈도우를 갖는 연마 패드를 포함하는 CMP 시스템을 제공하는 단계,
    제1 광빔을 산란방지층과 윈도우를 통해 웨이퍼에 도달시키는 단계 및
    웨이퍼로부터 제1 광빔을 반사시켜서 윈도우와 산란방지층을 통해 되돌아가는 제2 광빔을 형성시키는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 평면화(CMP) 시스템에서 웨이퍼의 동일계 광학 측정을 수행하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제2 광빔을 검출하는 단계,
    제2 광빔을 전기적 신호로 전환하는 단계 및
    전기적 신호를 처리하여 웨이퍼의 하나 이상의 특성을 산출하는 단계를 추가로 포함하는, 화학적 기계적 평면화(CMP) 시스템에서 웨이퍼의 동일계 광학 측정을 수행하는 방법.
KR1020040007019A 2003-02-03 2004-02-03 연마 패드 윈도우용 산란방지층 KR101109156B1 (ko)

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