KR20050015495A - 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너에 관한 것으로서, 즉 캐리어 하우징(610)의 하부에서 공압에 의해 승강 가능하게 구비되는 홀더 샤프트(620)와 상기 홀더 샤프트(620)에 연동가능하게 연결되면서 공압에 의해 웨이퍼(W)를 흡착하거나 연마패드(300)에 밀착되게 가압하는 웨이퍼 밀착부(630)와 상기 웨이퍼 밀착부(630)의 외측을 커버하는 유지링(640) 및 상기 유지링(640)의 외측에서 공압에 의해 승강 가능하게 컨디셔너 링(650)을 구비하는 화학적 기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서, 공압에 의해 하강하는 상기 컨디셔너 링(650)의 하강 높이(M)는 웨이퍼 연마 공정 조건에서의 상기 컨디셔너 링(650)과 상기 연마패드(300)의 높이(h)보다 약 0.2~0.4㎜만큼 더 크게 이동하도록 하는 것이 특징인 바 결국 연마패드(300)에 컨디셔너 링(650)이 항상 적절한 압력으로 밀착되면서 연마패드(300)를 최적으로 표면 연마하도록 하는 것이다.

Description

화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너{Conditioner of Chemical Mechanical Polishing device}

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컨디셔너 링의 하향 이동 높이를 연마패드와의 이격 높이보다는 미세하게 크게 형성되게 함으로써 최적으로 연마패드의 표면을 연마할 수 있도록 하는 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너에 관한 것이다.

일반적으로 CMP(화학적 기계적 연마; Chemical Mechanical Polishing)는 반도체 장치의 이상적인 다층 배선 구조를 실현하기 위해 배선을 피복하는 층간 절연막 상면의 평탄화를 목적으로 층간 절연막의 상면 요철을 기계적 및 화학적으로 연마하는 기술이다.

반도체분야에 있어서는 반도체 소자에 보다 미세한 선폭의 회로선들을 다단층 고밀도로 집적시켜 소자를 제조하는 것이 요구되며, 이러한 고집적도의 반도체 소자 제조를 위해서는 그에 상응하는 고도의 표면 평탄화를 이루어낼 수 있는 연마기술이 필요하다. 이러한 고집적 반도체 소자 제조를 위한 미크론 단위(약 1㎛ 이하)의 초정밀 표면연마를 이루어내기 위해서는 기계적인 표면연마만으로는 한계가 있으므로 현재는 화학적 연마와 기계적 연마를 병행토록 하는 화학적 기계적 연마설비가 개발되어 사용되고 있다.

웨이퍼의 평탄화는 웨이퍼의 비연마면을 캐리어 헤드에 진공압에 의해 흡착되게 한 상태에서 연마면은 연마패드에 면접촉되게 얹혀지도록 하여 연마패드와 웨이퍼의 연마면 사이로 슬러리(slury)를 공급하면서 연마패드를 회전시키는 방식으로 수행하게 된다.

도 1은 이와 같은 CMP 설비의 일반적인 구성을 도시한 것으로서, 테이블(100)의 상부면에는 통상 회전 가능하게 연마패드(300)를 구비하는 복수의 플래튼(200)과 함께 하나의 헤드 컵 로딩 언로딩(400, Head Cup Loading Unloading, 이하 HCLU라 함)이 구비된다. 이때의 연마패드(300)가 구비되는 플래튼(200)의 일측으로 테이블(100) 상부면에는 각각 연마패드(300)의 표면을 연마하여 표면 거칠기를 조절하는 컨디셔너(500)가 구비되는데 컨디셔너(500)는 일단을 축으로 회전 가능하게 구비되는 회전 암(510)과 함께 이 회전 암(510)의 선단에서 회전 가능하게 축지지되어 연마패드(300)에 면접촉되는 헤드(520)로서 이루어진다.

그리고 HCLU(400)는 상하 구동 장치(도시 안됨)와 기계적으로 연결되어 있어 로봇에 의해 이송되어 온 웨이퍼를 잠시 안치시키는 동시에 연마 작업이 끝난 웨이퍼를 잠시 머물도록 하는 웨이퍼 대기 위치이다.

한편 연마패드(300)의 상부에는 캐리어(600)가 구비되는데, 캐리어(600)에는 테이블(100) 상부면의 연마패드(300)와 HCLU(400)에 각각 대응하도록 하는 캐리어 헤드(610)가 구비되며, 이 캐리어 헤드(610)는 각각의 구동 수단에 의해서 회전이 가능하도록 하는 동시에 캐리어(600) 또한 회전이 가능하게 구비되도록 하고 있다.

이와 같은 구성에서 웨이퍼는 캐리어 헤드(610)에 진공압에 의해서 흡착되어 연마패드(300) 또는 HCLU(400)에 이송되며, 연마패드(300)에서는 소정의 압력으로 공압에 의해 눌려지게 함으로써 회전하게 되는 연마패드(300)와의 면마찰에 의해 웨이퍼가 연마되도록 한다.

한편 도 2는 이미 공지된 국내특허공개 제2002-0094079호(화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드)에서의 캐리어 헤드(600)의 구성을 도시한 것이다.

이들 공지된 선행 기술에 따른 캐리어 헤드(600)는 크게 캐리어 하우징(610)과 웨이퍼 밀착부(620)와 승강 가능하게 구비되는 홀더 샤프트(630)와 유지링(640)과 컨디셔너 링(650)이 구비되도록 한 구성이다.

즉 캐리어 하우징(610)은 회전이 가능하도록 구비되며, 웨이퍼 밀착부(620)는 웨이퍼를 진공압에 의해 밀착되게 하면서 웨이퍼가 연마패드(300)에 밀착되면 반대로 공기압에 의해 웨이퍼를 연마패드(300)쪽으로 압력을 가하도록 한다.

그리고 홀더 샤프트(630)는 웨이퍼 밀착부(620)에 웨이퍼를 흡착시키고자 할 때에는 하강하고, 웨이퍼를 흡착한 상태에서 연마패드(300)에 밀착시켜 연마할 때에는 상승되도록 하는 것이다. 이렇게 웨이퍼를 연마패드(300)에 밀착시킨 상태에서 홀더 샤프트(630)가 상승하게 되면 웨이퍼의 외주연측을 유지링(640)이 감싸게 되므로 웨이퍼의 연마 시 웨이퍼가 웨이퍼 밀착부(620)의 외측으로부터 벗어나지 못하게 되는 것이다.

한편 컨디셔너 링(650)은 웨이퍼 밀착부(620)에서와 마찬가지로 진공압이나 압축공기의 공급에 의해 미세하게 승강하면서 웨이퍼를 연마 시 연마패드(300)를 동시에 연마하면서 표면 거칠기를 조절하도록 하고 있다.

따라서 전기한 선행기술을 통해 공압에 의해 웨이퍼를 웨이퍼 밀착부(620) 또는 연마패드(300)에 밀착되도록 하면서 웨이퍼를 연마 중 또는 연마한 직후에라도 일체로 구비되는 컨디셔너 링(650)에 의해 연마패드(300)의 표면 거칠기 조절이 이루어질 수 있도록 하게 되는 것이다.

그러나 컨디셔너 링(650)에 제공되는 공압은 컨디셔너 링(650)과 연마패드(300)와의 간격에 따라 달라질 수가 있으므로 이 공압에 의해서 연마패드(300)의 표면 거칠기를 정확히 조절하기 난해한 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 컨디셔너 링의 하강 높이와 함께 컨디셔너 링의 연마패드로부터 이격되는 높이간 차가 일정하게 유지되도록 하여 연마패드의 표면 거칠기를 정확하게 조절할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 캐리어 하우징의 하부에서 공압에 의해 승강 가능하게 구비되는 홀더 샤프트와 상기 홀더 샤프트에 연동가능하게 연결되면서 공압에 의해 웨이퍼를 흡착하거나 연마패드에 밀착되게 가압하는 웨이퍼 밀착부와 상기 웨이퍼 밀착부의 외측을 커버하는 유지링 및 상기 유지링의 외측에서 공압에 의해 승강 가능하게 컨디셔너 링을 구비하는 화학적 기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서, 공압에 의해 하강하는 상기 컨디셔너 링의 하강 높이(M)는 웨이퍼 연마 공정 조건에서의 상기 컨디셔너 링과 상기 연마패드의 높이(h)보다 약 0.2~0.4㎜만큼 더 크게 이동하도록 하는 구성이 특징이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 연마 설비의 캐리어 헤드는 크게 캐리어 하우징과 홀더 샤프트와 웨이퍼 밀착부와 유지링 및 컨디셔너 링이 일체로 구비되게 하는 구성은 전술한 선행 기술과 대동소이하다.

즉 캐리어 헤드에서 캐리어 하우징은 회전 가능하게 구비되고, 이 캐리어 하우징에 홀더 샤프트와 웨이퍼 밀착부와 유지링 및 컨디셔너 링이 일체로 결합되므로 동시에 회전하게 된다.

홀더 샤프트는 공압에 의해 승강이 가능하게 구비되고, 이 홀더 샤프트에는 웨이퍼 밀착부가 연동 가능하게 연결되어 홀더 샤프트의 승강 작용에 의해서 동시에 승강하게 된다. 그리고 웨이퍼 밀착부는 그 내부로 공압에 의해 웨이퍼를 흡착하거나 연마패드에 웨이퍼를 긴밀하게 밀착되도록 가압하게 되는 구성이다. 웨이퍼 밀착부의 외측에 구비되는 유지링은 연마패드에 웨이퍼를 밀착시킨 상태에서 연마 공정을 수행 시 웨이퍼가 웨이퍼 밀착부를 벗어나지 않도록 외측을 커버하도록 하는 구성이며, 컨디셔너 링은 유지링의 외측에서 마찬가지로 공압에 의해 승강이 가능하게 구비되면서 연마패드에 면접촉하여 연마패드의 표면 거칠기를 조절할 수 있도록 구비되는 구성으로 이와 같은 구성들 또한 전술한 선행 기술에 동일하게 형성되어 있다.

본 발명은 기도시한 종래의 캐리어 헤드의 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 적용하기로 한다.

다만 본 발명은 도 3 및 도 4에서와 같이 유지링(640)의 외측으로 구비되는 컨디셔너 링(650)의 하향 이동 높이가 연마패드(300)와의 간극보다는 미세하게 큰 높이로서 이동하도록 하는데 가장 두드러진 특징이 있다.

다시 말해 컨디셔너 링(650)에 의한 연마패드(300)의 연마 작용 이전과 연마 작용 시의 컨디셔너 링(650)과 연마패드(300)간 높이 차(M-h)가 약 0.2~0.4㎜정도 발생되게 함으로써 연마패드(300)에 적절한 압력으로 컨디셔너 링(650)이 면밀착되면서 연마패드(300)의 표면 연마를 수행하도록 한다.

이러한 컨디셔너 링(650)의 연마 작용 이전 시점은 연마패드(300)에 웨이퍼(W)를 안치시킨 상태에서 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 상태를 말하는 것인 바 따라서 이 시점에서의 컨디셔너 링(650)과 연마패드(300)간 높이(h)란 웨이퍼(W)를 연마하는 조건에서 컨디셔너 링(650)의 저면과 연마패드(300)의 표면 간 높이를 일컫는다.

그리고 컨디셔너 링(650)의 하향 이동 높이(M)란 위의 조건에서 공압에 의해 컨디셔너 링(650)을 하향 이동시키게 될 때 그 직하부에 아무것도 없다고 가정했을 때 하향 이동하게 되는 높이를 말한다.

즉 본 발명은 웨이퍼(W)를 연마하는 연마 공정 조건에서의 컨디셔너 링(650)에 공압을 작용하기 전후의 연마패드(300)와 높이 차(h) 및 이동 거리(M)를 비교하여 컨디셔너 링(650)과 연마패드(300)간 이격 높이(h)보다는 컨디셔너 링(650)의 하향 이동 거리(M)가 약 0.2~0.4㎜ 더 크게 형성되도록 하여 그 높이 차만큼의 압력으로 연마패드(300)의 표면에 소정의 압력을 가하면서 면접촉되도록 한다.

한편 일반적인 웨이퍼(W)의 연마 공정 조건에서 통상 컨디셔너 링(650)을 하향 이동시키기 위한 공압은 약 1~4 PSI정도가 가장 바람직하다.

도면에서 웨이퍼(W)는 웨이퍼 밀착부(620)에 의해 소정의 압력이 가해져 연마패드(300)에 긴밀하게 밀착되어 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 작용에 대해서 살펴보면 통상 연마패드(300)에 대해 소정의 높이로 승강 및 회전이 가능하게 구비되는 캐리어에 복수로 캐리어 헤드(600)가 구비되는데 이러한 캐리어 헤드(600)에서는 웨이퍼(W)를 흡착하여 이동시키고, 웨이퍼(W)를 연마패드(300)에 긴밀히 밀착시키는 작용을 하게 된다.

캐리어 헤드(600)에서의 웨이퍼(W) 흡착이나 연마패드(300)에 웨이퍼(W)를 소정의 압력을 가해 밀착되도록 하는 일련의 작용들이 모두 공압에 의해서 수행되는 바 웨이퍼(W)를 연마패드(300)에 밀착시킨 상태에서 연마패드(300)와 함께 캐리어 헤드(600)를 회전시켜 이들간 마찰에 의해서 연마패드(300)에 면밀착되어 있는 웨이퍼(W)를 연마하게 되는 것이다.

웨이퍼(W)를 연마 중에 캐리어 헤드(600)의 외측 주면에는 공압에 의해 승강하는 컨디셔너 링(650)이 구비되는데 이 컨디셔너 링(650)은 웨이퍼(W)의 연마 중에 웨이퍼(W)를 연마하는 연마패드(300)의 표면이 연마하게 되는 구성으로, 본 발명은 이러한 컨디셔너 링(650)의 하향 이동 높이(M)를 웨이퍼(W)의 연마 조건에서 연마패드(300)와의 이격 높이(h)보다는 약 0.2~0.4㎜ 크게 형성되도록 함으로써 연마패드(300)를 적절한 압력으로 누르면서 연마패드(300)의 표면이 연마될 수 있도록 하는 것이다.

이처럼 연마패드(300)를 적절하게 누르면서 표면을 연마하게 되면 연마패드(300)의 표면 거칠기를 최적으로 조절할 수가 있으므로 설비 유지가 용이해지는 동시에 웨이퍼 연마 효율을 향상시키게 되는 것이다.

한편 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다는 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 웨이퍼(W)를 연마하게 되는 공정 조건에서 컨디셔너 링(650)의 하강 높이(M)를 컨디셔너 링(650)의 저면과 연마패드(300)의 표면간 높이(h)보다 약 0.2~0.4㎜ 크게 이동하도록 함으로써 연마패드(300)에의 적절한 압력을 가한 밀착에 의해 연마패드(300)의 표면 연마 효율이 향상될 수 있도록 한다.

이러한 작용은 결국 웨이퍼의 연마 효율을 향상시키면서 제품에 대한 신뢰성을 향상시키게 되는 매우 유용한 효과를 제공하게 된다.

도 1은 종래 화학적 기계적 연마장치의 구성을 도시한 사시도,

도 2는 종래의 화학적 기계적 연마장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 측단면도,

도 3은 본 발명에 따른 요부 구성을 도시한 일부 확대도,

도 4는 본 발명에 따른 컨디셔너의 컨디셔너 링에 의한 연마패드의 연마 상태를 도시한 일부 확대도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

300 : 연마패드 600 : 캐리어 헤드

640 : 유지링 650 : 컨디셔너 링

W : 웨이퍼

Claims (3)

1. 캐리어 하우징의 하부에서 공압에 의해 승강 가능하게 구비되는 홀더 샤프트와 상기 홀더 샤프트에 연동가능하게 연결되면서 공압에 의해 웨이퍼를 흡착하거나 연마패드에 밀착되게 가압하는 웨이퍼 밀착부와 상기 웨이퍼 밀착부의 외측을 커버하는 유지링 및 상기 유지링의 외측에서 공압에 의해 승강 가능하게 컨디셔너 링을 구비하는 화학적 기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서,

   상기 연마패드를 연마하기 위해 공압에 의해 하강시키게 되는 상기 컨디셔너 링의 하강 높이(M)는 웨이퍼 연마 공정 조건에서의 상기 컨디셔너 링과 상기 연마패드의 높이(h)보다 약 0.2~0.4㎜만큼 더 크게 이동하면서 상기 연마패드의 표면에 면접촉하도록 하는 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨디셔너 링과 상기 연마패드의 높이(h)는 상기 연마패드의 표면에 웨이퍼를 안치시킨 상태인 웨이퍼를 연마하는 공정 조건에서의 상기 컨디셔너 링의 저면과 상기 연마패드의 표면 사이의 높이인 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 컨디셔너 링을 하강시키는 공압의 크기는 약 1~4 PSI인 화학적 기계적 연마장치의 컨디셔너.