KR20050042710A - 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 패드의 연마량에 영향을 줄 수 있는 다운포스를 제어하는 장치로 E/P 레귤레이터를 사용하는 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 화학적 기계적 연마 장치는 화학적 기계적 연마 장치에 있어서, 소정의 장치를 고정 및 지지하기 위한 베이스; 상기 베이스상에 수직으로 고정된 지지대 블록; 상기 지지대 블록에 중심축이 고정되고, 양측이 상·하 이동 가능한 컨디셔너 엑시스; 상기 컨디셔너 엑시스의 일측에 마련된 업 실린더 및 컨디셔너 다이아몬드 스트립; 상기 컨디셔너 엑시스의 타측에 마련된 E/P 레귤레이터 및 다운 실린더; 및 상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더를 제어하는 피드백 시스템으로 구성되어 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법은 안정적인 컨디셔너 다운포스 공급과 제어를 통해 안정적인 연마량을 얻어 낼 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 연마 시간 감소와 다이아몬드 스트립 및 연마 패드의 교체 시기도 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법{Equpiment and control method for chemical mechanical polishing}

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 소정의 장치의 고정 및 지지를 위한 베이스(Base)에 수직으로 고정된 지지대 블록(Support Block) 및 상기 지지대 블록에 상하로 움직임이 가능하도록 고정되고, 일측에는 업 실린더(Up Cylinder)와 컨디셔너 다이아몬드 스트립(Diamond Strip)이 장착되어 있고, 타측에는 E/P 레귤레이터(Electric/Pneumatic Regulator) 및 다운 실린더(Down Cylinder)가 장착되어 있는 컨티셔너 엑시스(Axis)에 구성된 컨디셔너의 본체 및 E/P 레귤레이터와 실린더를 제어하는 피드백 시스템으로 구성된 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적인 CMP(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP) 장비에는 패드 컨디셔너(Pad Conditioner)라는 부분이 있다. 컨디셔너는 다이아몬드 스트립을 이용하여 연마 패드(Polishing Pad)의 면을 스윕(Sweep) 운동을 하면서 긁어 줌으로써 연마 패드의 양 즉, 연마량 (Removal Rate)을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 또한 컨디셔너의 구성 요소 중 금속적 요소, 즉 다이아몬드를 기준으로 보았을 때 가장 중요한 것은 컨디셔너의 다운포스(Downforce) 즉, 컨디셔너가 패드를 얼마만큼의 압력으로 컨디셔닝(conditioning)을 진행하는가 하는 것이다.

하지만 기존의 CMP의 다운포스는 구성과 그 제어 방법에 있어 중요도에 비해 현저히 낮은 정확도와 많은 변수들이 작용함으로써 정확한 컨디셔너 다운포스 제어가 불가능하다. 이로 인해 연마 패드의 연마량에 있어 부정적인 변수로 작용하고 있다. 우선 종래의 컨디셔너의 다운포스 제어방법은 컨디셔너의 후미(Rear) 부분에 경질 스프링(Hard Spring) 3개를 설치하고 이 위에 스프링의 탄성을 제어할 수 있는 볼트(Bolt)로 구성되어 있어서, 컨디셔너 다운시에 이 스프링의 탄성을 이용하여 패드 컨디셔닝의 다운포스로 이용하는 것이다. 이런 구조로 인해 정확한 압력의 상태를 표시해 줄 수 있는 부분이 현재 없고 스프링 탄성의 변화등의 변수로 인해 초기의 압력값을 유지하기 힘들다. 그러므로 이는 연마 패드의 연마량의 감소 또는 불안정을 유발할 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 의한 CMP 장치의 컨디셔너의 실제 사진 및 단면도이다.

먼저, 도 1a는 컨디셔너의 실제 사진으로서 본 발명에 의한 컨디셔너의 후미 부분의 스프링이 장착되어 있는 영역(10)을 점선으로 표시하고 있다.

다음, 도 1b는 컨디셔너의 단면도를 나타내고 있다. 도에서 보는 바와 같이 컨디셔너의 후미 부분에 컨디셔너의 다운포스를 제어하는 볼트(11) 및 스프링(12)이 장착되어 컨디셔너가 업 동작을 하지 않을 때, 상기 스프링의 탄성에 의해 다이아몬드 스트립(13)이 장착된 헤드 부분(14)이 다운된다. 상기 볼트는 오퍼레이터(Operator)가 스프링의 탄성이 줄어들었다고 판단할 경우 줄어든 스프링의 탄성을 보정하기 위해 설치되어 있다.

대한민국 공개특허 제2000-0018620호는 연마 헤드에 자석을 설치하여 자석의 척력을 이용하여 연마 헤드의 압력을 제어하는 장치를 제시하였다. 미합중국 등록특허 제6,464,574호는 X, Y 및 Z축의 스크루 드라이브(Screw drive)가 플랫폼(platform)에 의해 고정되어 있어, 패드가 X, Y 및 Z축으로 쉽고 빠르게 이동할 수 있는 장치를 제공하고 있다. 미합중국 등록특허 제6,464,561호(Sandhu 및 Doan)는 연마 패드에 압력 어플리케이터(pressure applicator)를 설치하여 연마 헤드의 압력을 인지하고, 공압을 이용하여 연마 헤드의 압력을 제어하는 장치 및 제어 방법을 제시하였으나, 평탄화 장치의 구성이 복잡하고, 연마 헤드 자체의 압력을 제어함으로써, 기판에 직접적인 압력이 가해짐으로 기판에 손상을 입힐 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 볼트 및 스프링을 대신하여 E/P 레귤레이터(Electric/Pneumatic Regulator)를 장착하여 공압을 이용하여 동작시킴으로써 원하는 다운포스를 정확하게 제어할 수 있도록 하는 장치 및 제어 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 화학적 기계적 연마 장치에 있어서, 소정의 장치를 고정 및 지지하기 위한 베이스; 상기 베이스상에 수직으로 고정된 지지대 블록; 상기 지지대 블록에 중심축이 고정되고, 양측이 상·하 이동 가능한 컨디셔너 엑시스; 상기 컨디셔너 엑시스의 일측에 마련된 업 실린더 및 컨디셔너 다이아몬드 스트립; 상기 컨디셔너 엑시스의 타측에 마련된 E/P 레귤레이터 및 다운 실린더; 및 상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더를 제어하는 피드백 시스템을 포함하여 이루어진 화학적 기계적 연마 장치에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 상기 목적은 피드백 시스템에서 업 실린더 및 E/P 레귤레이터로 신호를 전달하는 단계; 상기 업 실린더 및 E/P 레귤레이터가 다운 실린더의 공압을 제어하는 단계; 상기 업 실린더 및 다운 실린더의 공압에 의해 연마 헤드가 이동하는 단계; 및 상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더의 상태를 피드백 시스템에서 점검하여 연마 압력을 조절하는 단계를 포함하여 이루어진 화학적 기계적 연마 장치의 제어 방법에 의해서도 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

절연막, 금속 배선 및 실리콘 기판 등과 같은 반도체 소자의 기본 요소들을 평탄화하는 CMP장치는 소정의 속도로 회전할 수 있고, 웨이퍼의 연마면과 직접 접촉하는 패드가 상부에 설치된 연마 테이블(Polishing table)을 구비한다. 그리고, 소정 위치의 웨이퍼를 진공 흡착 고정하여 연마 테이블의 패드로 이동시킨 후, 상기 연마 테이블의 패드와 가압 접촉하며 소정의 속도로 회전할 수 있는 연마 헤드가 연마 테이블 상부에 구비된다. 또한, 슬러리 공급원에 저장된 슬러리(Slurry)를 연마 테이블 상부로 공급할 수 있는 슬러리 공급 노즐이 연마 테이블 상부에 구비된다. 여기서, 상기 연마 헤드는 상부에 진공 라인이 관통 연결된 상부판을 구비하고, 상기 상부판의 하부 가장자리에 외부링이 볼트에 의해서 고정 연결된다. 그리고, 상기 외부링 내측에 내부링이 핀에 의해서 고정 설치되고, 상기 내부링 내측에 진공 라인과 연결된 관통홀이 형성된 내부판이 구비되어 내부링과 내부판이 핀에 의해서 고정 연결된다. 또한, 하측 가장자리 부위가 함몰되어 단차져 있고, 복수의 진공홀이 형성된 하부판이 내부판 하측으로 소정 간격 이격되어 내부판과 볼트에 의해서 고정된다. 그리고, 상기 하부판 하부에 내부판의 진공홀과 대응하는 복수의 홀이 형성된 다공필름이 부착 구비되고, 상기 다공필름 하부에 다공필름의 홀을 통해서 전달되는 펌핑력에 의해서 고정 흡착된 웨이퍼가 위치한다. 또한, 상기 함몰된 하부판 가장자리 부위에는 다공필름에 고정된 웨이퍼가 외부로 이탈되는 것을 방지하기 위한 리테이너 링이 내부 튜브를 사이에 두고 상기 리테이너링 외측의 클램프 링에 의해서 압착되어 있으며, 상기 클램프 링은 하부판과 볼트에 의해서 고정된다. 이때, 하부판 가장자리 부위와 리테이너 링 사이에는 심(Shim)이 삽입 설치되어 다공 필름에 고정된 웨이퍼의 하부 표면과 리테이너 링 하부 표면 사이의 단차가 조절된다. 따라서, 상기 연마 헤드는 소정 위치의 웨이퍼상에 이동하여 웨이퍼 후면을 진공 흡착 고정한다. 이때, 상기 웨이퍼는 연마 헤드의 다공필름에 진공 흡착 고정되고, 상기 다공필름은 연마 헤드의 진공 라인, 내부판의 관통홀, 하부판의 진공홀 및 다공필름의 홀을 통해서 전달되는 펌핑력에 의해서 웨이퍼를 진공 흡착 고정한다.

다음으로, 상기 웨이퍼를 흡착 고정한 연마 헤드는 회전하는 연마 테이블의 패드상에 웨이퍼를 이송시킨 후, 상기 웨이퍼를 패드 방향으로 가압하며 회전하게 된다. 이때, 슬러리 공급원은 슬러리 공급노즐을 통해서 연마 테이블 상부로 슬러리를 공급함으로써 웨이퍼의 전면에 대한 물리적 및 화학적 연마공정이 진행된다. 그리고, 연마공정 과정의 연마 헤드는 진공 라인을 통한 펌핑력이 제거되나 다공필름 하부의 웨이퍼는 연마 헤드의 가압 및 리테이너링의 차단에 의해서 외부로 이탈되지 못하고 고정되어 연마공정이 진행된다.

상기에서 서술한 바와 같이 구성된 CMP 장치 및 작동 방법에서 연마 헤드를 업시키거나 다운시키기 위한 장치 및 제어 방법을 도 3 내지 도 4에서 자세히 설명한다.

도 3 내지 도 4는 본 발명에 의한 컨디셔너의 단면도로, 다운 및 업 상태를 나타낸 단면도이다.

먼저, 도 3은 본 발명에 의한 컨디셔너의 다운 상태의 단면도이다. 도에서 보는 바와 같이 컨디셔너의 전체를 고정 및 지지하고 있는 베이스(31)상에 수직으로 고정된 지지대 블록(32), 상기 지지대 블록에 상하로 움직임이 가능하도록 고정되고, 일측에는 업 실린더(33) 및 컨디셔너 다이아몬드 스트립(34)이 장착되어 있고, 타측에는 E/P 레귤레이터(35) 및 다운 실린더(36)가 장착되어 있는 컨디셔너 엑시스(37)로 구성되어 있다. 또한 상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더를 제어하고, 상태를 알 수 있도록 하는 피드백 시스템(38)이 장착되어 있다.

따라서, 본원의 컨디셔너는 웨이퍼를 연마하기 위해 다이아몬드 스트립이 장착된 연마 헤드가 다운포스에 의해 다운될 때, 상기 E/P 레귤레이터에 의해 공압이 제어되고, 공압의 조절에 의해 다운 실린더가 일정한 압력으로 연마 헤드의 후미 부분을 밀어 올려줌으로써 연마 헤드가 일정한 압력으로 웨이퍼에 압력을 가하게 되고 연마 공정을 실행하게 된다.

다음, 도 4는 본 발명에 의한 컨디셔너의 업 상태의 단면도이다. 웨이퍼에 대한 연마 공정이 완료된 후 웨이퍼를 제거하기 위해 연마 헤드를 업 시키기 위해 업 실린더(33)를 작동시키고 컨디셔너 후미의 실린더(36)에서 공압을 낮추게 되면 도에서 보는 바와 같이 연마 헤드(39)가 상승하게 되고, 연마가 완료된 웨이퍼를 다른 공정을 위해 이송하게 된다.

도 3 및 도 4에서의 E/P 레귤레이터, 다운 실린더 및 업 실린더의 제어 및 상태를 알 수 있게 하는 피드백 시스템은 연마 헤드를 다운시키라는 명령이 접수되면, 즉 다운포스 서플라이(Downforce Supply)에서 전압 신호가 발생하면 E/P 레귤레이터로 이 신호를 전달하게 되고, 신호를 전달받은 E/P 레귤레이터는 컨디셔너 후미의 다운 실린더의 공압을 높이게 되고 이로 인해 연마 헤드가 다운된다. 반대로 연마 헤드를 업시키라는 신호를 접수하게 되면 E/P 레귤레이터 및 업 실린더에 신호를 전달하고, 신호를 받은 E/P 레귤레이터는 다운 실린더의 공압을 낮추고, 업 실린더는 컨디셔너를 밀어 올려 연마 헤드를 상승시키게 된다. 또한 상기 피드백 시스템은 상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더의 상태를 파악하고 제어한다.

상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

따라서, 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치 및 제어 방법은 종래의 다운포스를 제어하는 경질 스프링 및 볼트를 제거하고 E/P 레귤레이터 및 다운 실린더를 장착함으로써 다운포스의 공급과 제어를 정확하게 할 수 있어 안정적인 연마량을 얻어 낼 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 컨디셔너의 실제 사진.

도 2는 종래기술에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 컨디셔너의 단면도.

도 3는 본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 컨디셔너의 다운 상태의 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 컨디셔너의 업 상태의 단면도.

Claims (2)

1. 화학적 기계적 연마 장치에 있어서,

   소정의 장치를 고정 및 지지하기 위한 베이스;

   상기 베이스상에 수직으로 고정된 지지대 블록;

   상기 지지대 블록에 중심축이 고정되고, 양측이 상·하 이동 가능한 컨디셔너 엑시스;

   상기 컨디셔너 엑시스의 일측에 마련된 업 실린더 및 컨디셔너 다이아몬드 스트립;

   상기 컨디셔너 엑시스의 타측에 마련된 E/P 레귤레이터 및 다운 실린더; 및

   상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더를 제어하는 피드백 시스템

   을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
2. 피드백 시스템에서 업 실린더 및 E/P 레귤레이터로 신호를 전달하는 단계;

   상기 업 실린더 및 E/P 레귤레이터가 다운 실린더의 공압을 제어하는 단계;

   상기 업 실린더 및 다운 실린더의 공압에 의해 연마 헤드가 이동하는 단계; 및

   상기 업 실린더, E/P 레귤레이터 및 다운 실린더의 상태를 피드백 시스템에서 점검하여 연마 압력을 조절하는 단계

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 제어 방법.