KR20040106548A - 광센서가 달린 연마패드 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연마패드(3)는 웨이퍼에 과잉 마모를 일으키지 않는 광학조립체(25)를 갖는다. 광학조립체(25)는 이곳에 가해지는 힘에 의해 움직임이 가능하도록 패드(3) 내부에 배치된다.

Description

광센서가 달린 연마패드{Polishing Pad With Optical Sensor}
대부분의 전자칩은 재질이 다른 여러층들을 적층하여 반도체 웨이퍼 위에 배치해 구성된다. 새로운 층을 추가할 때마다. 잉여 물질을 제거하고 웨이퍼를 평탄화하는 등의 목적으로 흔히 연마작업이나 그라인딩 작업이 필요하다. 연마공정을 흔히 화학기계적 평탄화공정(CMP; chemical mechanical planarization)이라고 한다. 여러 층이 필요하면, CMP 공정수도 많아진다. 또, 칩 형성공정에서는 흔히 아주 얇은 층의 재료들을 웨이퍼에서 균일하게 제거할 필요가 있다. CMP 단계마다 정확한 양의 재료를 제거하려면, 연마를 종료할 시기를 결정하는 수단이 필요하다.
이런 수단중 하나로, 새로운 층이 도달하는 시기나 층재료의 제거량을 감지하는 광센서가 있다. 그러나, 광센서는 웨이퍼 표면에 아주 가까이 배치해야 하므로 사용하기가 어려울 수 있다. 또, CMP 공정중에 사용되는 부식성 슬러리가 센서를 손상시킬 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 광센서가 웨이퍼에 필요한 측정을 할 수 있기 때문에 많은 경우 광센서를 이용하고 있다.
연마패드에 설치된 윈도우에 대한 여러 디자인들은 Birang의 미국특허5,893,796(1999.4.13)인Forming a Transparent Window in a Polishing Pad for a Chemican Mechanical Polishing Apparatus에서 볼 수 있다. 연마할 웨이퍼를 연마패드 위에 놓고, 연마패드는 단단한 평반 위에 놓으며, 웨이퍼 밑면에서 연마작업이 이루어진다. 평반 밑에 있는 간섭계를 통해 연마공정중에 표면을 모니터한다. 간섭계는 레이저빔을 위로 쏘고, 레이저빔이 웨이퍼 밑면에 도달하려면, 평반의 구멍과 연마패드를 통과해 위로 향해야 한다. 평반 구멍 위에 슬러리가 쌓이는 것을 막기 위해, 연마패드에 윈도우를 형성한다. 윈도우를 어떻게 형성하든, 간섭계 센서는 항상 평반 밑에 위치하되 연마패드 내부에 위치해서는 안된다.
다른 방법이 Schultz의 미국특허 5,081,796(1992.1.21)인Method and Apparatus for Mechanical Planarization and Endpoint Detection of a Semiconductor Wafer에 설명되어 있다. 이 방법에서는, 웨이퍼를 일부 연마한 뒤, 웨이퍼 일부가 평반 모서리에 걸쳐지는 위치로 웨이퍼를 움직인다. 이렇게 걸쳐지는 부분의 마모를 간섭계로 측정하여 연마공정을 계속할지 여부를 결정한다.
연마패드 내부에 배치된 광센서들은 높은 효율로 필요한 층분석을 실행할 수 있다. 연마패드 마모율에 맞게 연마패드 내부에서 승강할 수 있는 광학조립체를 제공하면 연마패드의 연마 균일도를 상승시킬 수 있다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 처리에 관한 것으로, 구체적으로는 패드 내부에 센서가 배치되어 있는 일회용 연마패드에 관한 것이다.
도 1은 광포트가 형성된 연마패드를 이용한 화학기계적 평탄화 장치의 평면도;
도 2는 연마패드에 설치되는 허브와 광학조립체의 일반적 배열을 보여주는 전개사시도;
도 3은 광센서의 구성을 보여주는 사시도;
도 4는 광학조립체가 연마패드 내부에서 승강할 수 있도록 배치된 구성의 단면도.
발명의 요약
후술하는 방법과 장치에서는, 연마패드 내부에 센서조립체를 배치하되, 광학조립체의 재질의 상대적 경도와 무관하게, 광학조립체와 연마패드를 웨이퍼를 균일하게 마모하도록 제공한다. 연마패드의 상부층에는 센서포트가 형성되고, 센서포트 밑의 패드하부층에는 더 큰 구멍이 형성된다. 광학조립체의 유연한 플랜지는 큰 구멍에 삽입되는 크기를 갖고 패드상부층에 접착된다. 또, 광학조립체의 하단부는 패드 바닥과의 사이에 공간을 두기에 충분히 얇다. 따라서, 광학조립체 전체가 연마패드 상부층에서 현수되어, 웨이퍼 및 웨이퍼 캐리어가 광학조립체 위를 지나가고 패드가 얇아져도 패드 윗면과 함께 광학조립체가 부유할 수 있다.
도 1은 연마패드(3)에 광포트(2)가 형성된 화학기계 시스템(1)의 평면도이다. 웨이퍼(4)(또는 평탄화작업이나 연마가 필요한 다른 작업물)는 연마헤드(5)에 고정되고 병진아암(6)에서 연마패드(3) 위로 현수된다. 다른 시스템들은 여러개의 웨이퍼를 고정하는 여러개의 연마헤드와, 연마패드의 양측면(좌측과 우측)의 별도의 병진 아암들을 이용할 수도 있다.
연마과정에 사용될 슬러리는 슬러리 분사관(7)을 통해 연마패드 표면으로 분사된다. 전자소자 조립체 허브(10) 위에 있는 비회전 허브(9)에 서스펜션 아암(8)이 연결된다. 전자소자 조립체 허브(10)는 잠금장치, 멈춤쇠, 스냅링, 나사, 나사구간 또는 착탈식 잠금기구를 이용해 연마패드(3)에 착탈식으로 연결된다. 허브(10)는 패드 내부에 있는 도전 조립체에 연결된다. 도전 조립체는 얇은 도체리본(11)에 연결되는 하나 또는 다수의 접점일 수 있고, 리본은 플렉스서킷(flex circuit)이나 리본케이블로 알려진 것이면 된다. 리본(11)은 광포트(2) 내부에서 패드(3)에 매립된 광센서 기구를 전자소자 허브(10) 내부의 전자소자들에 전기적으로 연결한다. 리본(11)은 여러개의 와이어나 얇은 케이블로 이루어질 수도 있다.
윈도우는 연마패드와 함께 회전하고, 연마패드 자체는 프로세스 구동테이블인 플래튼(18)에서 화살표(12) 방향으로 회전한다. 연마헤드는 스핀들(13)을 중심으로 화살표(14) 방향으로 회전한다. 연마헤드들 자체는 병진스핀들(15)에 의해 연마패드 표면에서 화살표(16) 방향으로 앞뒤로 이동한다. 따라서, 광포트(2)는 연마헤드 밑을 통과하되, 연마헤드는 회전과 병진운동을 동시에 하여 연마패드/플래튼 조립체가 회전할 때마다 웨이퍼 표면을 가로질러 복잡한 경로를 따라간다.
광포트(2)와 도전 조립체는 패드가 회전할 때 항상 동일한 반경선(17)상에 있다. 이 반경선 자체는 패드(3)가 허브(9)를 중심으로 회전할 때 원형 경로를 따라 움직인다. 도체리본(11)도 반경선(17)을 따라 함께 움직인다.
도 2와 같이, 연마패드(3) 중심에 원형의 구멍(23)이 형성된다. 광포트(2)는 연마패드에 형성되고 연마할 표면을 마주보도록 위로 트여있다. 광포트(2)에 광센서인 광학조립체(25)가 위치하고, 광학조립체(25)에서 중앙구멍(23)까지 이어진 도체리본(11)은 연마패드(3)에 매립된다. 광포트는 연마패트를 관통하는 윈도우일 수도 있고, 또는 블라인드홀일 수도 있다.
연마패드(3)를 사용할 때, 전자소자 허브를 위에서 중앙구멍(23) 안으로 삽입한 다음 베이스(26)에 나사로 고정하며, 베이스는 연마패드(3) 밑으로 허브(10)의 나사부에 고정된다. 따라서, 연마패드(3)는 허브와 베이스(26) 사이에 고정된다. 연마과정 동안, 연마패드(3), 허브(10) 및 베이스(26)는 중앙 수직축선(28)을 중심으로 함께 회전한다. 허브를 스냅링에 끼워 연마패드에 고정할 수 있도록 연마패드에 스닙랭을 배치할 수도 있다.
연마기의 비회전 허브(9)는 허브(10) 바로 위에 배치된다. 비회전 허브(9)는 작동중에 서스펜션 아암(8)에 고정된다.
도 3은 광학조립체(25)의 상세도이다. 광학조립체(25)는 광원(35), 디텍터(36), (프리즘, 거울, 센서재료에 배치된 빈공간의 경계면, 기타 광반사 요소 등의) 반사면(37) 및 도체리본(11)을 포함한다. 도체리본(11)은 광원(35)에 전력을 공급하고 디텍터(36)의 전기출력신호를 중앙구멍(23)으로 전도할 목적으로 여러개의 도체들이 평행하게 적층된 것이다. 광원(35)과 디텍터(36)는 쌍을 이루는 것이 바람직하다. 일반적으로, 광원(35)은 발광다이오드이고, 디텍터(36)는 광다이오드이다. 광원(35)에서 나온 빛의 처음에는 수평방향이지만, 반사면(37)에 부딪쳐 위로 반사되고 연마할 표면에 부딪쳐 반사된다. 반사광은 반사면(37)에서 재반사되어 디텍터(36)에 도달하고, 이곳에서 디텍터에 닿은 빛의 강도에 관련된 전기신호가생성된다. 도 3의 구성은 센서의 높이를 최소화하도록 선택되었다.
광학소자들과 도체리본(11)의 단부는 얇은 디스크 형태의 캡슐(38)로 감싸이고, 캡슐의 크기는 도 2의 광포트(2)에 넉넉히 끼워질 정도이다. 도체리본(11) 내부에는 3가지 도체, 즉 전력도체(38), 신호도체(40) 및 하나 이상의 접지도체(41)가 있다. 도 3, 4의 구성에서, 배플구멍(43)이 형성된 배플(42)을 이용해 디텍터(36)에 닿는 비반사광의 양을 낮출 수 있다. 배플(42)은 광원과 디텍터에 추가될 수 있다.
도 4는 연마패드(3) 내부에서 축선(44)을 따라 승강 가능하도록 배치된 광학조립체(25)를 보여준다. 광학조립체(25)는 광센서(45)와 센서하우징(46)을 포함하고, 광센서는 하우징 내부에 위치한다. 광학조립체는 연마 진행상태를 모니터링하는 임의의 수단(또는 연마 중에 웨이퍼나 다른 작업편의 특성을 검출하는 수단)으로서, 열센서, pH 센서, 초음파센서, 무선센서, 저항센서, 전기장이나 전류 센서 등을 포함할 수도 있다. 센서하우징은 열가소성 수지나, 윗면, 바닥면 및 두께를 갖는 다른 투명한 탄성재로 이루어진다.
광학조립체의 연장부인 플랜지(48)는 연마패드(3)의 하부층(49)에 형성된 구멍(48)에 맞는 크기를 갖는데, 이 플랜지는 환형일 수도 있고, 하부층(49)의 구멍은 상부층(50)의 구멍보다 크다. 플랜지(47)는 아교 등의 접착제(51)나 기타 다른 적당한 수단으로 상부층(50)에 연결된다. 따라서, 광학조립체(25)는 연마패드(3)의 상부층(50)에 현수된다. 광학조립체의 상단 모서리는 베벨형이어서 (파단선으로 표시된) 웨이퍼(4)의 마모를 방지하고, 광학조립체의 윗면은 연마패드의 윗면과 일치하여 웨이퍼를 얹기 위한 매끄러운 표면을 이룬다. 광학조립체(25)와 플랜지(47)의 두께는, 광학조립체의 바닥면과 연마패드 하부층(49)의 바닥면(53) 사이에 틈새가 있을 정도로 충분히 얇다.
플랜지(47)는 여러가지 방식으로 광학조립체(25)에 배치될 수 있다. 예컨대, 플랜지를 광학조립체(25)와 일체로 성형할 수도 있다. 또, 얇고 유연한 실린더나 막을 광학조립체의 바닥면에 배치하거나, 광학조립체의 측면에 연결할 수도 있다. 플랜지는 광학조립체의 둘레 일부로 돌출할 수도 있고, 또는 둘레 전체에서 돌출할 수도 있다.
일반적으로, 센서하우징은 캡슐형 상부와 하부를 갖는 캡슐이라고 할 수 있다. 캡슐 하부는 일반적으로 캡슐 상부보다 크므로, 하부는 연마패드의 상부구멍의 돌출부에 현수될 수 있다. 그러나, 캡슐하부를 캡슐상부와 같거나 작게 구성하고, 소형 패드나 스프링을 사용해 캡슐을 연마패드의 윗면과 동일하게 유지하거나, 다른 바이어스 수단을 이용해 캡슐을 패드에 연결할 수도 있다.
광학조립체의 상부와 접착제(51) 사이에, 구체적으로는 플랜지와 패드상부층 사이에 스페이서(54)를 배치할 수 있다. 스페이서 때문에, 광학조립체의 상부와 스페이서 사이의 공간에 아교가 스며들지 못한다. 따라서, 광학조립체가 연마패드 내부에서 쉽게 승강할 수 있으며, 광학조립체의 상부에 가장 가까운 패드 부분은 광학조립체의 상부와는 무관하게 변형되거나 편향될 수 있다.
연마패드는 화학기계적인 평탄화, 그라인딩 또는 연마작업에 사용되는 모든 연마패드를 포함한다. 이 패드는 다층형이거나 단층형일 수 있다. 예컨대, 하부층(49), 상부층(50) 및 접착층(55)으로 이루어진 Rodel IC 1000 패드일 수도 있다. 상부층은 우레탄, 하부층은 경도와 형태가 다른 우레탄일 수 있다. 상부층과 하부층은 접착층(55)에 의해 결합된다. IC 1000에서, 상부층의 경도는 약 50~55 쇼어 D이다. 패드와 함께 사용되는 하우징은 약 90쇼어 A(45 쇼어 D)의 경도를 갖는 투명한 탄성재(예; 다우케미컬사의 Pellethane 2102TM와 같은 열가소성 재료)로 이루어질 수 있다. 따라서, 광학조립체는 상부층보다 약간 연질이다.
층수와 무관하게, 연마패드를 관통해 광학조립체를 삽입할 구멍이 있어야 한다. 이 구멍은 상부구간과 하부구간으로 이루어질 수 있다. 구멍의 하부구간은 플랜지(또는 캡슐하부)를 수용하기 위해 상부구간보다 클 수 있다. 광학조립체의 상부(또는 캡슐 상부)는 구멍 상부구간 내부에 배치된다. 광학조립체의 하부(또는 캡슐하부)는 돌출부에 현수된다. 구멍 상부구간은 구멍 하부구간 위의 돌출부를 이룬다.
다른 실시예에서, 광학조립체(25)를 광포트(2) 내부에 배치하고, 소형 탄성패드나 스프링을 광학조립체 바닥에 배치할 수 있다. 어느 경우에도, 탄성패드나 스프링을 연마패드에 부착할 수 있고, 아교 등의 접착제로 광학조립체에 부착하거나, 연마패드와 광학조립체 양쪽에 부착할 수 있다. 일반적으로, 탄성패드나 스프링의 바닥면은 연마패드의 바닥면과 일치한다. 탄성패드는 광학조립체를 축선(44)을 따라 승강시키기에 충분한 탄성의 우레탄 등으로 이루어질 수 있다. 스프링은 광학조립체를 승강시킬 수 있는 스프링상수를 갖는 것이면 어떤 것도 가능하다. 어느 경우에도, 탄성패드나 스프링은 플랜지, 접착제, 스페이서와 함께 또는 이들 없이 사용될 수 있다. 또, 연마패드 하부층의 구멍이 더 큰 경우와는 반대로, 연마패드의 하나의 구멍에만 탄성패드나 스프링을 사용할 수도 있다.
사용중에, 연마패드는 웨이퍼를 연마하고 광학조립체는 평탄화 과정을 모니터한다. 그러나, 광학조립체가 패드와 함께 승강할 수 있기 때문에, 패드가 광학조립체보다 빨리 마모되거나 웨이퍼 캐리어가 패드를 가로지르면서 패드를 변형시키거나 압축할 경우에도 광학조립체의 윗면(56)은 항상 패드의 윗면(57)과 일치하여 동일평면을 이룬다. 따라서, 광학조립체와 연마패드의 상대적 마모율에 무관하게 웨이퍼의 표면 전체가 균일하게 연마된다.
도 4는 또한, 광학조립체 위에 배치된 웨이퍼를 광학조립체가 광학적으로 측정할 수 있음을 보여준다. 광학조립체는 다양한 광원(예; 다이오드, 레이저, 램프, 기타 광원)과 디텍터(예; 광다이오드, 카메라, CCD, 기타 다른 광검출 수단)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 발광다이오드(58)가 거울(59)을 향해 빛을 낸다. 거울은 분산형 거울을 포함할 수 있다. 그러나, 광학조립체의 내부에 공간을 만들 수도 있다. 공간과 광학조립체의 경계면이 자연적인 반사면을 이루어, 공간내에 분산형 거울을 설치하지 않고도 발광다이오드와 함께 사용하기에 적당한 거울면을 제공한다. 어느 경우에도, 빛은 웨이퍼를 향해 반사된다. 빛이 웨이퍼 표면에서 반사되고, 이 반사광은 발광다이오드 옆에 배치된 제2 다이오드에 의해 검출된다. 반사광이 원하는 값에 도달하면 연마를 종료하라는 의미이므로, 연마작업을 마친다.

Claims (14)

  1. 웨이퍼나 기타 작업물을 화학기계적으로 평탄화하는데 사용되는 연마패드에 있어서:
    상기 연마패드는 윗면, 바닥면 및 두께를 갖고, 연마패드를 관통하는 구멍이 형성되어 있으며;
    상기 구멍 내부에 캡슐이 배치되어 있고, 연마 작업동안 웨이퍼나 작업물의 특성을 검출하는 수단이 상기 캡슐에 수용되며;
    상기 캡슐의 윗면은 패드의 윗면과 동일평면상에 있고, 캡슐의 두께는 패드의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 연마패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구멍이 구멍 상부구간과 구멍 하부구간을 가지며, 하부구간은 상부구간보다 크고;
    상기 캡슐은 캡슐상부와 캡슐하부로 이루어지고, 캡슐상부는 구멍 상부구간에 끼워지는 크기를 가지며, 캡슐하부는 구멍 하부구간에 끼워지는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구멍 상부구간이 하부구간 위의 돌출부를 이루고, 상기 캡슐하부가 상기 돌출부에 현수됨으로써 캡슐이 연마패드에 고정되는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 구멍 상부구간이 하부구간 위의 돌출부를 이루고, 상기 캡슐하부가 상기 돌출부에 현수됨으로써 캡슐이 연마패드에 고정되는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  5. 웨이퍼 연마장치에 있어서:
    연마패드; 및
    연마패드 내부에서 승강 가능하게 배치되는 센서 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 패드 상부층과 패드 하부층; 및
    상기 상부층과 하부층의 구멍 내부에 배치되고, 상기 패드 하부층의 원형 공간 내부에 배치되고 접착제로 패드 상부층에 현수되는 플랜지를 구비하여, 연마패드 내부에서 승강 가능한 광학조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  7. 제6항에 있어서, 플랜지 위에 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  8. 제6항에 있어서, 상기 광학조립체의 상단 모서리가 베벨형인 것을 특징으로하는 연마패드.
  9. 제7항에 있어서, 상기 광학조립체의 상단 모서리가 베벨형인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  10. 패드상부층, 패드하부층 및 이들 상하부층들을 관통하는 구멍; 및
    상기 구멍 내부에 배치되는 센서조립체;를 포함하고,
    상기 구멍은 패드상부층에 배치되는 구멍 상부구간과 패드하부층에 배치되는 구멍 하부구간을 갖고, 구멍 하부구간은 구멍 상부구간보다 크며;
    상기 센서조립체는 센서하우징 내부에 배치되는 센서를 포함하고, 상기 센서하우징은 상단구간과 하단구간을 가지며, 센서하우징의 하단구간에 연장부가 배치되고;
    상기 연장부는 구멍 하부구간 내부에 배치되면서 패드상부층에 현수되는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연장부가 광학조립체의 하단구간에 배치된 유연한 막인 것을 특징으로 하는 연마패드.
  12. 제10항에 있어서, 광학조립체의 두께와 연장부의 두께는 구멍 하부구간 내에서 센서조립체가 승강하기에 충분히 작은 것을 특징으로 하는 연마패드.
  13. 제10항에 있어서, 상기 센서조립체가 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
  14. 제12항에 있어서, 상기 센서조립체가 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
KR1020047018378A 2002-05-14 2003-05-12 광센서가 달린 연마패드 KR100973126B1 (ko)

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US10/146,494 US6726528B2 (en) 2002-05-14 2002-05-14 Polishing pad with optical sensor
US10/146,494 2002-05-14
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