KR20050096446A - 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 연마 헤드 어셈블리는 연마 헤드로부터 웨이퍼의 이탈을 감지하는 센서를 가진다. 센서는 소정 영역 전체에서 웨이퍼 이탈을 방지하기 위해 연마 헤드 어셈블리에 복수개 장착되거나 긴 길이로 장착된다. 또한, 공정진행 중 슬러리나 탈이온수가 센서로 튀어 센서의 감도가 저하되는 것을 방지하기 위해 센서를 감싸는 보호커버가 설치된다. 보호커버는 연마 패드와 인접하는 위치까지 내려오도록 설치되거나 투명재질로 제조되어 센서를 완전히 감싸도록 설치될 수 있다.

Description

화학적 기계적 연마 장치{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}

본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하는 장치에 관한 것이다.

반도체 소자 제조 공정은 웨이퍼 상에 박막층을 형성하는 증착공정과 그 박막층 상에 미세한 회로패턴을 형성하는 식각공정을 포함한다. 웨이퍼 상에 요구되는 회로패턴이 형성될 때까지 이들 공정은 반복되고, 웨이퍼의 표면에는 매우 많은 굴곡이 생긴다. 반도체 소자가 고집적화 됨에 따라 회로의 선폭은 감소되고, 하나의 칩에 더 많은 배선들이 적층되고 있어 칩 내부에서 위치에 따른 단차는 더욱 증가하고 있다. 이들 적층배선들에 의해 생긴 단차는 후속 공정에서 도전층의 고른 도포를 어렵게 하고 사진 공정에서 디포커스 등의 문제를 야기한다. 이를 해결하기 위해 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정이 요구된다. 최근에는 웨이퍼가 대구경화됨에 따라 좁은 영역뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 "CMP") 방법이 주로 사용되고 있다.

상술한 CMP 방법에 의하면 회전하는 연마 패드에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면을 기계적으로 연마하고, 이와 동시에 연마 패드와 웨이퍼 사이에 슬러리를 공급하여 화학반응에 의해 웨이퍼를 연마한다. 이러한 CMP 장치는 미국등록특허 제 6,217,426호에 개시되어 있다. 이를 참조하면, 연마 패드가 부착된 플레이튼이 제공되고, 연마 헤드는 웨이퍼의 연마면이 연마 패드와 대향되도록 웨이퍼를 흡착한다. 연마 헤드는 조절 가능한 압력을 웨이퍼의 후면에 제공하여 웨이퍼를 연마 패드 상에 가압한다.

연마 공정 진행시 플레이튼이 그 중심축을 기준으로 일방향으로 회전되고, 웨이퍼 또한 연마 헤드에 흡착된 상태에서 그 중심축을 기준으로 회전된다. 비록 연마 헤드에 유지링이 설치되어 공정진행 중 웨이퍼가 연마 헤드로부터 이탈되는 것을 방지하나, 종종 웨이퍼가 미끄러져 연마 헤드로부터 이탈되는 경우가 있다. 연마 헤드로부터 웨이퍼가 이탈됨으로 인해 웨이퍼가 파손되고, 이로 인해 장치의 소모품들을 교체해야 하는 문제가 있다.

본 발명은 화학적 기계적으로 웨이퍼를 연마하는 도중에 웨이퍼가 연마 헤드로부터 미끄러져 이탈됨으로 인해 웨이퍼가 파손되는 것을 방지할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 화학적 기계적 연마 장치는 플레이튼, 플레이튼 상에 부착되는 연마 패드, 그리고 반도체 기판을 흡착고정하며 상기 연마 패드 상에 상기 반도체 기판을 가압하는 연마 헤드를 포함하는 연마 헤드 어셈블리를 가진다. 상기 연마 헤드 어셈블리에는 연마 도중에 상기 반도체 기판이 상기 연마 헤드로부터 이탈되는지 여부를 감지하는 감지부와 연마 도중 이물질이 상기 감지부에 부착되는 것을 방지하는 보호 커버가 설치된다.

상기 보호 커버는 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 선택적으로 상기 보호 커버는 상기 연마 헤드의 둘레를 감싸도록 설치되며, 상기 보호커버는 상기 연마 패드와 인접하는 위치까지 내려오도록 배치될 수 있다.

상기 감지부는 상기 연마 헤드 어셈블리의 외측면에 서로 이격되어 설치된 복수의 센서들을 가진다. 일 예에 의하면, 상기 플레이튼은 자신의 중심축을 중심으로 회전되고, 상기 연마 헤드는 자신의 중심축을 중심으로 상기 플레이튼과 동일방향으로 회전되며, 상기 연마 헤드의 상부에는 고정체가 배치된다. 상기 감지부는 상기 연마 헤드로부터 상기 연마 패드 상의 임의의 위치가 멀어지도록 보여지는 상기 연마 헤드의 측면 전체에서 반도체 기판의 이탈을 감지하도록 상기 고정체에 서로 이격되어 설치된 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 선택적으로 상기 감지부는 상기 연마 헤드로부터 상기 연마 패드 상의 임의의 위치가 멀어지도록 보여지는 상기 연마 헤드의 측면 전체에서 반도체 기판의 이탈을 감지할 수 있는 길이로 상기 고정체의 외측면에 설치된 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서는 이로부터 발광된 광이 반도체 기판에 부딪힌 후 반사되어 상기 센서로 수광되는지 여부에 따라 반도체 기판의 이탈 여부를 감지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 5를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 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 1과 도 2는 각각 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 사시도와 정면도이다. 도 2에서 도 1의 베이스, 슬러리 공급아암, 그리고 연마 헤드 어셈블리의 일부가 생략되었다. 도 1과 도 2를 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(2)는 연마 헤드 어셈블리(polishing head assembly)(3), 슬러리 공급아암(slurry supply arm)(120), 패드 컨디셔너(pad conditioner)(140), 플레이튼(platen)(200), 그리고 연마 패드(polishing pad)(400)를 포함한다. 플레이튼(200)은 원통형의 판 형상을 가지며, 바닥면에 결합된 회전체(220)에 의해 지지된다. 공정진행 중 플레이튼(200)을 회전시키기 위해 회전체(220)에는 모터(240)가 결합된다. 회전체(도 2의 220)와 모터(도 2의 240)는 베이스(100) 내에 위치될 수 있다. 플레이튼(200)의 상부면에는 연마 패드(400)가 부착되며, 플레이튼(200)의 일 측에는 연마공정 진행 중 연마 패드(400)의 연마조건을 유지하는 패드 컨디셔너(140)와 연마 패드(400)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급아암(120)이 배치된다.

연마 헤드 어셈블리(3)는 플레이튼(200)의 상부에 위치된다. 연마 헤드 어셈블리(3)는 구동축(302), 연마 헤드(320), 고정체(340), 감지부(360), 그리고 보호커버(380)를 가진다. 연마 헤드(320)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(400)를 향하도록 웨이퍼(W)를 흡착고정하고 공정진행중에 연마 패드(400)에 대하여 웨이퍼(W)를 가압한다. 구동축(302)에는 이를 회전시키는 모터(304)가 결합되어, 공정진행 중 연마 헤드(320)는 구동축(302)을 중심으로 플레이튼(200)의 회전방향과 동일방향으로 회전된다. 연마 헤드(320)는 캐리어, 매니폴드, 지지부, 유지링, 그리고 멤브레인을 구비할 수 있다. 다양한 내부 구조를 가지는 연마 헤드(320), 예컨대, 한국공개특허 2001-105759, 한국공개특허 2002-40529, 한국공개특허 2004-17126 등에 도시된 연마 헤드, 가 사용될 수 있으며, 그 내부구조는 본 발명의 요지에서 벗어나므로 본 실시예에서 상세한 설명은 생략한다. 고정체(340)는 연마 헤드(320)의 구동축(302)에 위치될 수 있다. 고정체(340)는 구동축(302)의 회전에 영향을 받지 않고 고정되도록 구동축(302)에 결합된다.

연마 패드(400)는 원형의 형상을 가지며, 접착제에 의해 플레이튼(200) 상에 부착된다. 연마 패드(400)의 상부면은 거친 표면을 가져 웨이퍼(W)와 직접 접촉에 의해 웨이퍼(W)를 기계적으로 연마한다. 연마 패드(400)의 상부면에는 복수의 홈들(grooves)(도시되지 않음)이 형성된다. 연마 패드(400) 상으로 슬러리(slurry)가 공급될 때, 슬러리는 플레이튼(200)의 회전에 의해 연마 패드(400)에 형성된 홈을 따라 웨이퍼(W)와 연마 패드(400) 사이로 공급된다. 홈들은 동심원의 형상으로 일정간격 형성되거나 이와 다른 형상으로 다양하게 형성될 수 있다. 연마 패드(400)는 연마 헤드(320)의 유지링(380)에 비해 적어도 2배의 직경을 가질 수 있다.

도 3은 연마 패드(400)와 연마 헤드(320)의 위치 및 동작상태를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 공정진행 중 연마 헤드(320)는 연마 패드(400)의 중심으로부터 일측에 배치되어 구동축(302)을 중심으로 회전하고, 연마 패드(400)는 플레이튼(200)과 함께 회전된다. 선택적으로 공정진행 중 연마 헤드(320)는 연마 패드(400)의 반경방향으로 소정거리 진동될 수 있다. 이와 달리 플레이튼(200)은 고정 또는 회전되고, 연마 헤드(320)는 자신의 구동축(302)을 중심으로 회전됨과 동시에 연마 패드(400)의 중심을 기준으로 회전될 수 있다.

연마 공정 진행시 웨이퍼에 가해지는 압력보다 유지링에 더 큰 압력이 가해져 웨이퍼의 이탈이 방지되나 종종 유지링의 헌팅(hunting) 또는 다른 이유에 의해 웨이퍼가 연마 헤드(320)의 외측으로 미끄러진다. 감지부(360)는 웨이퍼가 연마 헤드(320)의 외측으로 미끄러져 연마 헤드(320)로부터 이탈되었는지 여부를 감지하는 센서(360)를 가진다. 센서(360)는 발광부와 수광부를 가진다. 발광부로부터 조사된 광이 웨이퍼에 부딪혀 반사되어 수광부에 도달하면 웨이퍼가 연마 헤드(320)로부터 벗어났음을 알 수 있다.

도 4a와 도 4b는 각각 센서(360)의 설치위치의 일 예를 보여주는 연마 헤드 어셈블리의 단면도와 평면도이고, 도 5a와 도 5b는 각각 센서(360)의 설치위치의 다른 예를 보여주는 연마 헤드 어셈블리의 단면도와 평면도이다. 도 4b와 도 5b에서 센서(360)가 보여지도록 연마 헤드 어셈블리의 상부가 제거되었다. 센서(360)는 상술한 바와 같이 연마 헤드(320)와 플레이튼(200)이 각각 자신의 축을 중심으로 동일방향으로 회전할 때, 연마 패드(400) 상의 임의의 위치가 멀어지는 것으로 관찰되는 고정체(340)의 측면(도 3에서 'A'부분, 이하 '설치면')에 배치된다. 일반적으로 웨이퍼는 'a'방향으로 연마 헤드(320)로부터 이탈되기 쉬우나 종종 'b'방향이나 'c'방향으로 이탈될 수 있다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 센서(360)는 설치면(A)의 모든 방향에서 이탈된 웨이퍼를 감지할 수 있도록 서로 이격되어 복수개가 설치되는 것이 바람직하다. 선택적으로 도 5에 도시된 바와 같이 센서(360)는 설치면(A)의 모든 방향에서 이탈된 웨이퍼를 감지할 수 있는 길이를 가질 수 있다. 또한, 센서(360)는 설치면 외에 모든 방향에서 연마 헤드(320)로부터 웨이퍼가 이탈되는 것을 감지하기 위해 고정체(340) 둘레에 일정한 간격으로 균등하게 설치될 수 있다. 또한, 센서(360)가 연마 헤드(320)의 둘레 전체에 고르게 배치되는 경우, 센서(360)는 회전되는 연마 헤드(320)의 둘레에 장착될 수 있다.

연마공정 진행시 화학 반응에 의한 연마를 위해 연마 패드(400) 상으로 슬러리가 공급되고, 또한 세정을 위해 탈이온수가 공급된다. 슬러리나 탈이온수가 센서(360)로 튀면, 센서(360)의 감도가 떨어져 센서(360)가 웨이퍼의 이탈을 감지하지 못한다. 따라서 주기적으로 센서(360)의 감도를 체크하여야 하는 문제가 있다. 보호커버(380)는 슬러리나 탈이온수와 같은 불순물이 센서(360)로 튀는 것을 방지하기 위한 것으로, 센서(360)의 둘레를 감싸도록 배치된다. 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 보호커버(380)는 센서(360)가 장착된 고정체(340)의 둘레를 감싸도록 배치된다. 바람직하게는 보호커버(380)는 고정체(340)와 연마 헤드(320)를 모두 감싸 연마 패드(320)와 인접하는 부분까지 도달될 수 있는 길이를 가진다.

선택적으로, 보호커버(380)는 투명한 재질로 이루어지고, 센서가 외부로 노출되지 않도록 고정체(340)를 완전히 감싸는 구조를 가질 수 있다. 보호커버(380)는 각각의 센서(360)를 감싸도록 설치되거나, 센서(360)가 장착된 고정체(340)의 측면 전체를 감싸도록 설치될 수 있다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼가 연마 헤드(320)로부터 어느 방향으로 미끄러지더라도 웨이퍼의 이탈을 감지할 수 있으며, 웨이퍼가 이탈되는 경우 공정의 진행을 중단하여 웨이퍼의 파손 및 주변 설비의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 슬러리나 탈이온수의 튐에 의해 센서의 감도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복수개의 센서가 장착됨으로써 웨이퍼가 연마 헤드로부터 어느 방향으로 미끄러지더라도 웨이퍼의 이탈을 감지하여, 웨이퍼가 이탈되는 경우 공정의 진행을 중단하여 웨이퍼의 파손 및 주변 설비의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 센서의 감도가 슬러리나 탈이온수의 튐에 의해 저하되어 센서가 웨이퍼 이탈의 감지에 실패하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 사시도와 정면도;

도 3은 연마 패드와 연마 헤드의 위치 및 동작상태를 보여주는 도면;

도 4a와 도 4b는 각각 센서의 설치위치의 일 예를 보여주는 연마 헤드 어셈블리의 단면도와 평면도; 그리고

도 5a와 도 5b는 각각 센서의 설치위치의 다른 예를 보여주는 연마 헤드 어셈블리의 단면도와 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

200 : 플레이튼 320 : 연마 헤드

340 : 고정체 360 : 감지부

380 : 보호커버 400 : 연마 패드

Claims (7)

1. 화학적 기계적으로 반도체 기판을 연마하는 장치에 있어서,

   플레이튼과;

   상기 플레이튼 상에 부착되는 연마 패드와;

   반도체 기판을 흡착고정하며, 상기 연마 패드 상에 상기 반도체 기판을 가압하는 연마 헤드를 포함하는 연마 헤드 어셈블리와;

   상기 연마 헤드 어셈블리에 설치되며, 연마 도중에 상기 반도체 기판이 상기 연마 헤드로부터 이탈되는지 여부를 감지하는 감지부와; 그리고

   연마 도중 이물질이 상기 감지부에 부착되는 것을 방지하는 보호 커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보호 커버는 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 감지부는 상기 연마 헤드 어셈블리의 외측면에 서로 이격되어 설치된 복수의 센서들을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 플레이튼은 자신의 중심축을 중심으로 회전되고,

   상기 연마 헤드는 자신의 중심축을 중심으로 상기 플레이튼과 동일방향으로 회전되며,

   상기 연마 헤드 어셈블리는 상기 연마 헤드의 상부에 고정 위치된 고정체를 더 포함하며,

   상기 감지부는 상기 연마 헤드로부터 상기 연마 패드 상의 임의의 위치가 멀어지도록 보여지는 상기 연마 헤드의 측면 전체에서 반도체 기판의 이탈을 감지하도록 상기 고정체에 서로 이격되어 설치된 복수의 센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 플레이튼은 자신의 중심축을 중심으로 회전되고,

   상기 연마 헤드는 자신의 중심축을 중심으로 상기 플레이튼과 동일방향으로 회전되고,

   상기 연마 헤드 어셈블리는 상기 연마 헤드의 상부에 고정 위치된 고정체를 더 포함하며,

   상기 감지부는 상기 연마 헤드로부터 상기 연마 패드 상의 임의의 위치가 멀어지도록 보여지는 상기 연마 헤드의 측면 전체에서 반도체 기판의 이탈을 감지할 수 있는 길이로 상기 고정체의 외측면에 설치된 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
6. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 센서는 이로부터 발광된 광이 반도체 기판에 부딪힌 후 반사되어 상기 센서로 수광되는지 여부에 따라 반도체 기판의 이탈 여부를 감지하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 보호 커버는 상기 연마 헤드의 둘레를 감싸도록 설치되며, 상기 보호커버는 상기 연마 패드와 인접하는 위치까지 내려오도록 배치되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.