KR20040085995A - 패드 컨디셔너 및 이를 사용하는 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마장치로, 상기 장치는 연마 패드가 부착된 플레이튼 및 하부에 반도체 기판을 흡착 또는 가압하는 폴리싱 헤드와 상기 플레이튼의 표면거칠기를 유지시키는 패드 컨디셔너를 가진다. 패드 컨디셔너는 저면에 배치되며, 표면에 다이아몬드 입자들이 장착된 디스크들, 상기 연마 패드에 대해 상기 디스크들을 가압하는 가압부, 그리고 상기 디스크들을 회전하는 회전부를 가지며, 상기 디스크들은 동일한 중심을 이루며 정삼각 또는 정사각과 같은 다각의 링형상으로 형성된다.

Description

패드 컨디셔너 및 이를 사용하는 화학적 기계적 연마 장치{PAD CONDITIONER AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS WITH THE PAD CONDITIONER}

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 연마 패드의 표면거칠기를 일정하게 유지하는 패드 컨디셔너에 관한 것이다.

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.

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.

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.

일반적인 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 'CMP') 장치는 웨이퍼를 진공 흡착하며 모터에 의해 회전되는 폴리싱헤드와 폴리싱 헤드 하부에 위치되며 웨이퍼를 연마하는 연마 패드가 부착된 플레이튼을 가진다. CMP 공정의 보다 효과적인 연마율의 달성을 위해서는 폴리싱 패드의 표면 거칠기가 항상 일정하게 유지되어야 한다. 즉 CMP의 지속적인 구동으로 폴리싱 패드는 그 표면 거칠기가 낮아지게 되어 폴리싱 기능이 점진적으로 상실되게 되는데, 이를 방지하기 위하여 패드 컨디셔너가 사용된다.

일반적으로 패드 컨디셔너는 저면에 다이아몬드가 전체적으로 균일하게 배치된 디스크를 가지며, 패드 컨디셔너는 자신의 축을 가지고 회전하면서 이와 동시에 연마 패드 상에서 스윙동작을 한다. 따라서 연마 패드는 영역에 무관하게 항상 동일한 표면거칠기를 가지게 되며, 연마 패드의 영역에 따라 표면거칠기를 상이하게 조절할 수 없다.

본 발명은 웨이퍼의 영역별로 요구되는 연마프로파일을 얻을 수 있도록 연마패드의 표면거칠기를 영역에 따라 상이하게 조절할 수 있는 패드 컨디셔너 및 이를 사용한 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마 패드의 영역별로 표면거칠기가 선형으로 변화될 수 있도록 조절할 수 있는 패드 컨디셔너 및 이를 사용한 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 사시도;

도 2는 도 1의 패드 컨디셔너의 개략단면도;

도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 디스크들의 형상을 보여주는 도면;

도 4a는 원형의 링 형상을 가지는 디스크들을 보여주는 도면;

도 4b는 도 4a의 디스크들을 사용시 연마 패드의 영역에 따라 디스크와 접촉되는 면적을 보여주는 도면;

도 4c는 도 4a의 디스크들을 사용시 연마 패드의 영역에 따른 디스크와 접촉시간을 그래프로 보여주는 도면;

도 5a와 도 5b는 각각 본 발명의 정사각 및 정삼각의 링 형상을 가지는 디스크들을 사용시 연마 패드의 영역에 따라 디스크와 접촉되는 면적을 보여주는 도면;그리고

도 6은 정사각의 링 형상을 가지는 디스크 사용시 연마 패드의 영역에 따라 디스크와 접촉되는 시간을 그래프로 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 플레이튼 200 : 연마 패드

300 : 회전판 400 : 폴리싱 헤드

500 : 패드 컨디셔너 512 : 내측디스크

514 : 미들디스크 516 : 외측디스크

600 : 회전부

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치는 연마 패드가 부착된 플레이튼 및 하부에 반도체 기판을 흡착 또는 가압하는 폴리싱 헤드와 상기 플레이튼의 표면거칠기를 유지시키는 패드 컨디셔너를 가진다. 상기 폴리싱 헤드와 상기 패드 컨디셔너는 상기 연마 패드와 마주보도록 위치되고 자신의 축을 중심으로 회전하는 회전판에 나란히 위치되도록 설치된다.패드 컨디셔너는 저면에 배치되며, 표면에 다이아몬드 입자들이 장착된 디스크들, 상기 연마 패드에 대해 상기 디스크들을 가압하는 가압부, 그리고 상기 디스크들을 회전하는 회전부를 가지며, 상기 디스크들은 동일한 중심을 이루며 정삼각 또는 정사각과 같은 다각의 링형상으로 형성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 6을 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 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치는 플레이튼(platen)(100), 연마 패드(polishing pad)(200), 패드 컨디셔너(pad conditioner)(500), 회전판(rotating plate)(300), 그리고 폴리싱 헤드(polishing head)(400)를 포함한다.

연마 패드(200)는 소정 두께를 갖는 원형의 평판 형상을 가지며 웨이퍼(W)와 직접 접촉하여 웨이퍼(W)를 기계적으로 연마하는 부분으로 거친 표면을 가진다. 연마 패드(200)는 플레이튼(100) 상에 설치되며 플레이튼(100)에 의해 지지된다. 연마 패드(200)는 웨이퍼(W)에 비해 적어도 2배 이상의 직경을 가질 수 있다. 연마 패드(200)의 상부에는 연마 패드(200)와 유사한 크기를 가지는 회전판(300)이 위치된다. 회전판(300)은 상하로 수직이동이 가능하며, 공정진행 중 자신의 축을 기준으로 회전되는 구조를 가진다. 회전판(300)의 상부에는 이를 회전시키기 위한 회전부(600)이 위치된다. 회전판(300)은 회전축(620)이 결합되며, 회전판은 회전축(620)과 함께 모터(640)에 의해 회전될 수 있다. 회전판(300)의 수직이동은 모터나 유공압 실린더와 같은 일반적인 이동장치에 의해 이루어질 수 있다.

연마 패드(200)에는 연마공정 진행시 연마 패드(200) 상부에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급홀들(220)이 형성될 수 있다. 그러나 이와 달리 슬러리는 연마 패드(200)의 상부에 위치되는 슬러리 공급 아암에 의해 공급될 수 있다.

회전판(300)의 저면에는 폴리싱 헤드(400)와 패드 컨디셔너(500)가 장착된다. 폴리싱 헤드(400)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(200)를 향하도록 웨이퍼(W)를 흡착 고정하고 공정진행 중에 연마 패드(200)에 대하여 웨이퍼(W)를 가압하는 부분이다. 웨이퍼는 진공에 의해 폴리싱 헤드에 장착된다. 폴리싱 헤드(400)의 자체 하중과 인가되는 압력에 의해 웨이퍼 표면과 연마 패드(200)가 접촉되고, 이 접촉면 사이의 미세한 틈사이로 가공액인 슬러리가 유동하여 슬러리 내부에 있는 연마입자와 연마 패드(200)의 표면돌기들에 의해 기계적인 제거작용이 이루어지고 슬러리내의 화학성분에 의해 화학적인 제거작용이 이루어진다.

패드 컨디셔너(500)는 연마 패드(200)에서 웨이퍼(W)의 폴리싱이 정상적으로 수행되도록 패드의 상태를 최적화하기 위한 장치이다. 패드 컨디셔너(500)는 연마 패드(200)의 상태를 평탄화 할 뿐만 아니라 슬러리 용액이나 폴리싱에 의하여 발생한 파티클 등이 연마 패드(200)에 적층되어 연마 패드(200)를 무디게 만드는 것을 방지하고, 연마 패드(200)의 표면 거칠기를 공정에 적합하게 유지시키며, 슬러리 용액을 고르게 분산시키는 역할을 수행한다.

본 실시예에서 폴리싱 헤드(400)는 연마 패드(200)의 중심을 기준으로 일측 가장자리 상부에 놓이도록 설치되고, 패드 컨디셔너(500)는 연마 패드(200)의 타측 가장자리 상부에 폴리싱 헤드(400)와 나란히 놓이도록 설치된다. 즉, 연마 패드(200)의 중심의 수직 상부에 회전판(300)의 중심이 위치된 상태에서 회전판(300)이 회전되면, 폴리싱 헤드(400)와 연마 패드(200)는 웨이퍼(W)의 가장자리를 따라 회전하게 된다. 이에 의해 폴리싱 헤드(400)는 연마 패드(200)에 대해 웨이퍼(W)를 연마하고, 패드 컨디셔너(500)는 연마 패드(200)가 연마에 적합한 표면 거칠기를 유지하도록 한다. 회전판(300)이 회전될 때 패드 컨디셔너(500) 또는 폴리싱 헤드(400)는 각각 자신의 축을 중심으로 회전될 수 있다.

도 2는 패드 컨디셔너(500)의 개략단면도이다. 도 2를 참조하면 패드 컨디셔너(500)는 디스크들(510)과 디스크들(510)을 각각 상하로 구동시키는 가압부(530)를 구비한다. 디스크들(510)은 다이아몬드 입자들을 장착하며, 연마 패드(200)를 긁어 연마 패드(200)에 적합한 표면 거칠기를 제공하는 부분이다. 각각의 디스크들(510)은 다각의 링 형상을 가지며, 바람직하게는 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된 바와 같이 정삼각 또는 정사각의 링 형상을 가진다. 본 실시예에서 패드 컨디셔너(500)는 정사각의 링 형상을 가지는 내측 디스크(inner disk)(512), 미들 디스크(middle disk)(514), 그리고 외측 디스크(outer disk)(516)를 가진다. 이들 디스크들(510)은 모두 동일한 중심을 가진다. 내측 디스크(512)는 가장 안쪽에 위치되며, 미들 디스크(514)는 내측 디스크(512)를 둘러싸도록 위치된다. 또한, 외측 디스크(516)는 미들 디스크(514)를 둘러싸며 가장 바깥쪽에 위치된다.

가압부(530)는 디스크들(510)에 일정압력을 가하는 부분이다. 가압부(520)는 도 2에서 보는 바와 같이 내측 디스크(512)와 미들 디스크(514)를 가압하는 내측 가압부(532)와 외측 디스크(516)을 가압하는 외측 가압부(534)를 가진다. 그러나 이와 달리 가압부는 미들 가압부를 더 구비하여, 미들 디스크(514)는 미들 가압부에 의해 가압될 수 있다. 이는 연마 패드(200)에 영역별로 상이한 표면 거칠기를제공하므로, 폴리싱헤드(400)에 장착된 웨이퍼(W)의 영역에 따라 상이한 연마율로 연마될 수 있다. 디스크들(510)을 가압하는 방법은 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예컨데, 가압부(530)는 디스크들(510)의 상부에 위치되며, 공압에 의해 상하로 이동되는 로드부를 가질 수 있다. 각각의 로드부 상에는 펌프와 연결된 공기이동로가 형성될 수 있다. 또한, 패드 컨디셔너에는 연마 패드 상에 잔존하는 찌꺼기들을 제거하기 위해 탈이온수를 공급하는 공급로들이 형성될 수 있다.

복수의 링 형상의 디스크(510)를 사용하는 경우 외측디스크(516)는 연마 패드(200)와 가장 넓은 부분에서 접촉되며, 미들디스크(514)는 외측디스크(516)와 연마 패드(200)가 접촉되는 부분내의 일정부분에서 연마 패드(200)와 접촉되며, 내측디스크(512)는 미들디스크(514)와 연마 패드(200)가 접촉되는 부분 내의 일정부분에서 연마 패드(200)와 접촉된다. 따라서, 외측 디스크(516)에만 접촉되는 부분에서 미들 디스크(514) 및 내측 디스크(512)와 동시에 접촉되는 부분으로 갈수록 연마 패드(200)와 디스크들(510)간의 접촉시간이 길어져 연마 패드의 표면은 거칠어진다.

도 4 내지 도 6은 디스크들(510)이 원형의 링형상으로 형성된 경우와 본 실시예에서처럼 다각의 링형상으로 형성된 경우를 각각 비교하면서 보여주는 도면이다. 도 4a와 같은 원형의 링형상의 디스크들(510′)을 사용하는 경우에는 도 4b에 도시된 바와 같이 연마 패드(200)의 영역에 따라 디스크들과 접촉면적이 다양하게 변하지 않으므로, 비록 각각의 디스크들(510′)에 가해지는 하중이 조절되더라도 디스크들(510′)과 연마 패드(200)의 영역별 접촉시간, 즉 연마 패드(200)의 표면거칠기는 도 4c에서 보는 바와 같이 큰 단차를 가지게 된다.

그러나 본 실시예에서와 같이 정사각 또는 정삼각의 링형상의 디스크들(510)을 사용하면, 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이 원형의 링형상의 디스크들(510′)을 사용할 때에 비해 연마 패드(200)의 영역별에 따라 접촉면적이 매우 다양하게 되며, 결국 각 디스크들에 가해지는 하중을 조절함으로써 도 6에서 보는 바와 같이 연마 패드(200)의 표면거칠기를 영역에 따라 선형으로 변화되도록 할 수 있다. 따라서 각각의 디스크들(510)에 가해지는 압력을 조절함으로써 웨이퍼의 영역별로 원하는 연마 프로파일을 얻을 수 있다.

비록 본 실시예에서는 3개의 사각의 링 형상의 디스크를 사용하고, 각각의 디스크의 폭은 동일한 것으로 설명하였다. 그러나 웨이퍼의 영역별로 다양한 연마프로파일을 얻기 위해서 디스크들의 수, 형상, 그리고 폭들을 다양하게 변화시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 웨이퍼의 영역별로 다양한 연마 프로파일을 얻을 수 있도록, 연마 패드의 표면거칠기를 영역에 따라 상이하게 조절할 수 있다.

또한, 연마 패드의 표면거칠기가 영역별로 큰 단차를 가지지 않고 선형으로 변화되도록 조절할 수 있다.

Claims (5)

1. 화학적 기계적 연마장치에서 연마 패드를 일정 거칠기로 유지하는 패드 컨디셔너에 있어서,

   저면에 배치되며, 표면에 다이아몬드 입자들이 장착된 디스크들과;

   상기 연마 패드에 대해 상기 디스크들을 가압하는 가압부와;그리고

   상기 디스크들을 회전하는 회전부를 구비하되,

   상기 디스크들은 동일한 중심을 이루며 다각의 링형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 디스크들은 정삼각의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔너.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 디스크들은 정사각의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패드 컨디셔너.
4. 화학적 기계적 연마 장치에 있어서,

   연마 패드가 부착된 플레이튼과;

   하부에 반도체 기판을 흡착 또는 가압하는 폴리싱 헤드와 상기 플레이튼의 표면거칠기를 유지시키는 패드 컨디셔너가 설치되는, 그리고 상기 연마 패드와 마주보도록 위치되고 자신의 축을 중심으로 회전하는 회전판을 구비하되,

   상기 패드 컨디셔너는,

   표면에 다이아몬드 입자들이 장착된, 그리고 동일한 중심을 이루며 다각의 링형상의 디스크들과;

   상기 연마 패드에 대해 상기 디스크들을 가압하는 가압부를 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 디스크들은 정삼각 또는 정사각의 링형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.