KR20040074269A - Chemical mechanical polishing apparatus - Google Patents
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- B24B37/30—Work carriers for single side lapping of plane surfaces
Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a chemical mechanical polishing apparatus for polishing the surface of a semiconductor wafer.
반도체 소자 제조 공정은 웨이퍼 상에 박막층을 형성하는 증착공정과 그 박막층상에 미세한 회로패턴을 형성하기 위한 식각공정을 포함한다. 웨이퍼상에 요구되는 회로패턴이 형성될 때까지 이들 공정은 반복되고, 회로패턴이 형성된 후 웨이퍼의 표면에는 매우 많은 굴곡이 생긴다. 최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되며, 웨이퍼 표면의 굴곡의 수와 이들 사이의 단차는 증가하고 있다. 그러나 웨이퍼 표면의 비평탄화는 포토리소그래피 공정에서 디포커스등의 문제를 발생하므로 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 주기적으로 연마하어야 한다.The semiconductor device manufacturing process includes a deposition process for forming a thin film layer on a wafer and an etching process for forming a fine circuit pattern on the thin film layer. These processes are repeated until the required circuit pattern is formed on the wafer, and after the circuit pattern is formed, a great deal of bending occurs on the surface of the wafer. In recent years, as semiconductor devices become highly integrated, their structures are multilayered, and the number of bends on the surface of the wafer and the steps between them are increasing. However, since unplanarization of the wafer surface causes problems such as defocus in the photolithography process, it is necessary to periodically polish the surface of the wafer to planarize it.
웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 다양한 표면 평탄화 기술이 있다. 이중 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 장치가 주로 사용된다.There are various surface planarization techniques to planarize the surface of the wafer. Among them, a chemical mechanical polishing apparatus that can obtain excellent flatness not only in narrow areas but also in wide areas is mainly used.
화학적 기계적 연마 장치는 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 장치로서, 아주 미세한 연마를 가능하게 한다. 기계적 연마는 회전하는 연마용 판인 연마 패드에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(Slurry)라는 화학적 연마제에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이다.The chemical mechanical polishing apparatus is an apparatus for polishing a surface of a wafer coated with tungsten, oxide, or the like by mechanical friction and polishing with a chemical polishing agent, and enables very fine polishing. Mechanical polishing is polishing a wafer surface by friction between the polishing pad and the wafer surface by pressing and rotating the wafer on a polishing pad, which is a rotating polishing plate, and chemical polishing is a chemical called slurry supplied between the polishing pad and the wafer. The wafer surface is polished with an abrasive.
도 1은 일반적인 화학적 기계적 연마 장치의 폴리싱 헤드를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 폴리싱 헤드는 복수의 진공홀이 형성된 플레이트(224)와 플레이트(224)의 아래에 위치되며 웨이퍼(W)를 가압하는 멤브레인(240)을 가진다. 웨이퍼(W)는 연마면이 연마 패드와 대향되도록 폴리싱 헤드에 장착되고, 웨이퍼(W)의 연마면은 회전하는 연마 패드 상에 놓여진다. 폴리싱 헤드는 조절가능한 압력을 웨이퍼의 후면에 제공하여 그것을 연마 패드상으로 가압한다. 상술한 일반적인 폴리싱 헤드에서 멤브레인(240)은 그 가장자리가 멤브레인을 지지하는 플레이트(224)의 측면 및 상부면의 일부를 감싸는 상태에서 클램프 링(226)에 의해 고정된다. 따라서 멤브레인(240)이 공기압에 의해 팽창될 때 멤브레인(240)은 전체적으로 아래로 볼록한 형태를 가지며, 이로 인해 웨이퍼(W)의 중앙부에는 가장 큰 압력이 가해지고 중앙부에서 멀어질수록 점진적으로 낮은 압력이 가해져 웨이퍼의(W) 연마 균일성이 낮아진다.1 is a view showing a polishing head of a general chemical mechanical polishing apparatus. Referring to FIG. 1, the polishing head has a plate 224 having a plurality of vacuum holes and a membrane 240 positioned below the plate 224 and pressing the wafer W. The wafer W is mounted to the polishing head such that the polishing surface faces the polishing pad, and the polishing surface of the wafer W is placed on the rotating polishing pad. The polishing head provides an adjustable pressure on the backside of the wafer to press it onto the polishing pad. In the conventional polishing head described above, the membrane 240 is secured by the clamp ring 226 with its edge surrounding a portion of the side and top surface of the plate 224 supporting the membrane. Therefore, when the membrane 240 is expanded by air pressure, the membrane 240 has a convex shape as a whole, which causes the greatest pressure to be applied to the center portion of the wafer W and gradually decreases as the distance from the center portion is increased. (W) polishing uniformity of the wafer is lowered.
본 발명은 웨이퍼의 연마균일성을 향상시킬 수 있는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a chemical mechanical polishing apparatus capable of improving the polishing uniformity of a wafer.
도 1인 일반적인 폴리싱 헤드의 단면도;1 is a cross-sectional view of the general polishing head;
도 2는 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치의 사시도;2 is a perspective view of the chemical mechanical polishing apparatus of the present invention;
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 도 2의 폴리싱 헤드의 단면도;3 is a cross-sectional view of the polishing head of FIG. 2 in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 멤브레인의 확대도; 그리고4 is an enlarged view of the membrane of FIG. 3; And
도 5a와 도 5b는 각각 일반적인 폴리싱 헤드와 본 발명의 폴리싱 헤드에서 멤브레인이 팽창된 상태를 보여주는 도면이다.5A and 5B are views illustrating an expanded state of the membrane in the general polishing head and the polishing head of the present invention, respectively.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
200 : 폴리싱 헤드 222 : 버퍼부200: polishing head 222: buffer portion
224 : 지지 플레이트 226 : 클램프224 support plate 226 clamp
240 : 멤브레인 242 : 가압부240 membrane 242 pressurization
244 : 제 1고정부 246 : 제 2고정부244: 1 st government 246: 2 nd government
270 : 리테이너 링270: Retainer Ring
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 화학적 기계적 연마 장치는 플레이튼, 상기 플레이튼 상에 설치되는 연마 패드, 그리고 상기 연마 패드에 반도체 기판을 가압하여 상기 반도체 기판을 연마하는 폴리싱 헤드를 구비한다. 상기 폴리싱 헤드는 상기 폴리싱 헤드의 저면에 위치되며 복수의 홀들이 형성된 지지 플레이트, 지지플레이트 아래에 위치되며 부드러운 재질로 된 버퍼부, 멤브레인, 그리고 상기 멤브레인을 고정하는 클램프를 가진다.In order to achieve the above object, the chemical mechanical polishing apparatus of the present invention includes a platen, a polishing pad installed on the platen, and a polishing head for pressing the semiconductor substrate to the polishing pad to polish the semiconductor substrate. The polishing head has a support plate formed at a bottom of the polishing head and formed with a plurality of holes, a support plate formed under the support plate, a buffer portion of a soft material, a membrane, and a clamp for fixing the membrane.
또한, 상기 멤브레인은 상기 지지 플레이트의 아래에 위치되며 복수의 홀들이 형성된 가압부, 상기 가압부의 가장자리로부터 상부로 연장된 제 1고정부, 그리고 상기 복수의 홀들로부터 상부로 연장된 제 2고정부를 가진다.In addition, the membrane is located below the support plate and the pressing portion formed with a plurality of holes, the first fixing portion extending upward from the edge of the pressing portion, and the second fixing portion extending upward from the plurality of holes Have
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 5를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 5. In the drawings, the same reference numerals are given to components that perform the same function.
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 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.The embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shape of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a clearer description.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing : 이하 CMP)장치를 보여주는 사시도이다. 도 3을 참조하면 CMP장치는 베이스(base)(110), 플레이튼(platen)(114), 연마 패드(polishing pad)(112), 패드 컨디셔너(pad conditioner)(116), 슬러리 공급 아암(slurry supply arm)(118), 그리고 폴리싱 헤드 어셈블리(polishing head assembly)(20)를 포함한다.2 is a perspective view showing a chemical mechanical polishing (CMP) apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the CMP apparatus includes a base 110, a platen 114, a polishing pad 112, a pad conditioner 116, and a slurry supply arm. supply arm 118, and polishing head assembly 20.
연마 패드(112)는 거친 표면을 가지는 평판으로 웨이퍼(W)와 직접 접촉하여 웨이퍼(W)를 기계적으로 연마하는 부분이다. 연마 패드(112)는 플레이튼(114) 상에 설치되며 플레이튼(114)에 의해 지지되고, 공정진행 중 플레이튼(114)과 함께 회전될 수 있다. 플레이튼(114)을 소정속도로 회전시키기 위해 베이스(110) 내에 구동모터(도시되지 않음)가 위치될 수 있다. 연마 패드(112)의 일측에는 연마 패드(112)의 연마조건을 유지하기 위한 패드 컨디셔너(116)와 연마 패드(112)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 아암(118)이 설치된다.The polishing pad 112 is a flat plate having a rough surface and is in direct contact with the wafer W to mechanically polish the wafer W. The polishing pad 112 is installed on the platen 114 and supported by the platen 114, and may be rotated together with the platen 114 during the process. A drive motor (not shown) may be located in the base 110 to rotate the platen 114 at a predetermined speed. One side of the polishing pad 112 is provided with a pad conditioner 116 for maintaining polishing conditions of the polishing pad 112 and a slurry supply arm 118 for supplying a slurry to the surface of the polishing pad 112.
연마 패드(112)의 상부에는 폴리싱 헤드 어셈블리(20)가 위치된다. 폴리싱 헤드 어셈블리(20)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(112)를 향하도록 웨이퍼(W)를 흡착고정하고 공정 진행 중에 연마 패드(112)에 대하여 웨이퍼(W)를 가압하는 폴리싱 헤드(polishing head)(200)와 구동축(driving shaft)(202), 그리고 폴리싱 헤드(200)를 구동축(202)에 대해 연마 패드(112)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키는 구동모터(driving motor)(204)를 가진다.The polishing head assembly 20 is positioned on top of the polishing pad 112. The polishing head assembly 20 sucks and fixes the wafer W so that the polishing surface of the wafer W faces the polishing pad 112 and presses the wafer W against the polishing pad 112 during the process. (polishing head) 200, a driving shaft 202, and a driving motor for rotating the polishing head 200 in a direction opposite to the rotational direction of the polishing pad 112 with respect to the drive shaft 202. Has 204.
도 3은 도 2의 폴리싱 헤드의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 폴리싱 헤드는 지지 플레이트(supporting plate)(224), 클램프(clamp)(226), 버퍼부(buffer part)(222), 리테이너 링(retainer ring)(270), 그리고 멤브레인(membrane)(240)을 구비한다.3 is a cross-sectional view of the polishing head of FIG. 2. Referring to FIG. 3, the polishing head includes a supporting plate 224, a clamp 226, a buffer part 222, a retainer ring 270, and a membrane ( membrane) 240.
폴리싱 헤드(200)의 저면에는 멤브레인(240)을 가압하는 공기가 유입되는 챔버(260)가 형성되며, 폴리싱 헤드(200)의 중앙부에는 공기의 이동통로인 공기 유입로(262)가 형성된다. 챔버(260)의 아래에는 순차적으로 클램프(226), 지지 플레이트(224), 버퍼부(222), 그리고 멤브레인(240)이 배치되며, 이들의 측면 바깥쪽에는 리테이너 링(270)이 설치된다.The lower surface of the polishing head 200 is formed with a chamber 260 through which air pressurizing the membrane 240 is formed, and an air inflow path 262 is formed in the center of the polishing head 200. The clamp 226, the support plate 224, the buffer unit 222, and the membrane 240 are sequentially disposed below the chamber 260, and retainer rings 270 are provided outside the side surfaces thereof.
지지 플레이트(224)는 서스(SUS)를 재질로 하여 만들어지며 큰 직경의 복수의 홀들(225)을 가진다. 버퍼부(222)는 지지 플레이트(224)의 아래에서 지지 플레이트(224)와 접촉되도록 위치되며, 지지 플레이트(224)에 형성된 홀(225)과 동일한 위치에 복수의 홀들(223)을 가진다. 버퍼부(222)는 공정 진행 중 서스 재질의 지지 플레이트(224)가 멤브레인(240) 또는 웨이퍼(W)와 접촉됨으로써 멤브레인(240) 또는 웨이퍼(W)를 손상하는 것을 방지하기 위한 것으로 부드러운 재질로 만들어진다.The support plate 224 is made of sus material and has a plurality of holes 225 having a large diameter. The buffer unit 222 is positioned to be in contact with the support plate 224 under the support plate 224, and has a plurality of holes 223 at the same position as the hole 225 formed in the support plate 224. The buffer part 222 is to prevent damage to the membrane 240 or the wafer W by contacting the support plate 224 of the sus material with the membrane 240 or the wafer W during the process. Is made.
멤브레인(240)은 원형의 얇은 고무막으로 웨이퍼(W)를 흡착 또는 가압하는 부분이다. 본 발명의 멤브레인(240)을 보여주는 도 4를 참조하면, 멤브레인(240)은 가압부(pressure part)(242), 제 1고정부(first fixing part)(244), 그리고 제 2고정부(246)(second fixing part)를 가진다.The membrane 240 is a portion that adsorbs or pressurizes the wafer W with a circular thin rubber membrane. Referring to FIG. 4 showing the membrane 240 of the present invention, the membrane 240 includes a pressure part 242, a first fixing part 244, and a second fixing part 246. (second fixing part).
멤브레인(240)의 가압부(242)는 지지 플레이트(224)의 아래에 위치되며 웨이퍼(W)의 후면과 직접적으로 면 접촉하여 웨이퍼(W)를 가압하는 부분으로 복수의 홀들(245)을 가진다.The pressing portion 242 of the membrane 240 is positioned below the supporting plate 224 and has a plurality of holes 245 as portions for pressing the wafer W by directly contacting the rear surface of the wafer W. .
제 1고정부(244)와 제 2고정부(246)는 멤브레인(240)을 고정하기 위해 가압부(242)로부터 상부로 연장된 부분이다. 멤브레인(240)의 제 1고정부(244)는 가압부(242)의 최외곽 부분에서 연장된 부분으로 버퍼부(222)와 지지 플레이트(224)의 측면 및 지지 플레이트(224)의 상부면 가장자리를 감싸도록 위치되며, 지지 플레이트(224)의 상부에 위치되는 클램프(226)에 의해 고정된다. 제 2고정부(244)는 가압부(242)에 형성된 홀들(245)의 주변으로부터 연장된 부분으로 버퍼부(222) 및 지지 플레이트(224)에 형성된 홀들(223, 225)의 내측면 및 지지 플레이트(224)의 상부면의 일부를 감싸도록 위치되며, 제 1고정부(244)와 같이 지지 플레이트(224)의 상부에 놓여진 클램프(226)에 의해 고정된다. 클램프(226)는 원형의 판 형상을 가지며 복수의 홀들(227)을 가진다.The first fixing part 244 and the second fixing part 246 extend upward from the pressing part 242 to fix the membrane 240. The first fixing part 244 of the membrane 240 extends from the outermost part of the pressing part 242 to the side of the buffer part 222 and the supporting plate 224 and the upper surface edge of the supporting plate 224. It is positioned to surround and is fixed by a clamp 226 located on the top of the support plate 224. The second fixing part 244 extends from the periphery of the holes 245 formed in the pressing part 242 and the inner surface and the support of the holes 223 and 225 formed in the buffer part 222 and the support plate 224. It is positioned to surround a portion of the upper surface of the plate 224 and is fixed by a clamp 226 placed on the upper portion of the support plate 224, such as the first fixing portion 244. The clamp 226 has a circular plate shape and has a plurality of holes 227.
리테이너 링(270)은 공정진행 중 멤브레인(240)에 흡착된 웨이퍼(W)가 폴리싱 헤드(200)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 것으로, 지지 플레이트(224)로부터 소정거리 이격되며 멤브레인(240)에 흡착된 웨이퍼(W)를 감싸도록 위치된다.The retainer ring 270 is to prevent the wafer W adsorbed on the membrane 240 from being separated from the polishing head 200 during the process, and is spaced apart from the support plate 224 by a predetermined distance. It is positioned to surround the adsorbed wafer (W).
연마공정 진행시 공기 유입로(262)를 통해 챔버(260)로 유입된 공기는 클램프(226)에 형성된 홀들(227)을 통해 아래로 공급되면서 멤브레인(240)을 팽창시킨다. 도 5a와 도 5b는 각각 일반적인 폴리싱 헤드에서 멤브레인이 팽창된 상태와 본 발명에서 멤브레인(240)이 팽창된 상태를 보여준다. 도 5a를 참조하면, 일반적인 폴리싱 헤드에서는 멤브레인의 가장자리만이 지지 플레이트 및 클램프에 의해 고정되기 때문에 멤브레인은 아래로 볼록한 형상으로 팽창하게 되고, 이로 인해 멤브레인의 중앙부와 맞닿는 웨이퍼 부분이 가장 크게 연마되며, 중앙부에서 멀어질수록 그 연마율이 감소된다. 그러나, 본 발명에 의하면 도 5b에 도시된 바와 같이 멤브레인(240)은 지지 플레이트(224) 및 클램프(226)에 의해 고정되는 제 2고정부(246)를 가지므로 멤브레인(240)의 가압부(242)가 균일하게 팽창되고, 이로 인해 웨이퍼(W)의 연마균일성을 향상시킬 수 있다.The air introduced into the chamber 260 through the air inlet 262 during the polishing process is supplied downward through the holes 227 formed in the clamp 226 to expand the membrane 240. 5A and 5B show the expanded state of the membrane in the general polishing head and the expanded state of the membrane 240 in the present invention, respectively. Referring to FIG. 5A, in a typical polishing head, only the edge of the membrane is fixed by the support plate and the clamp, so that the membrane expands into a convex shape downward, which results in the largest polishing of the portion of the wafer that abuts the central portion of the membrane. The further away from the center, the lower the polishing rate. However, according to the present invention, as shown in FIG. 5B, the membrane 240 has a second fixing part 246 fixed by the supporting plate 224 and the clamp 226, so that the pressing portion of the membrane 240 242 is uniformly expanded, thereby improving the polishing uniformity of the wafer (W).
본 발명에 의하면 연마공정 진행시 멤브레인이 전체적으로 균일하게 팽창되므로 웨이퍼의 연마 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the membrane is uniformly expanded throughout the polishing process, the polishing uniformity of the wafer can be improved.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |