KR20050109091A - 기판 연마장치 - Google Patents

Abstract

기판 연마 장치는 회전 가능한 플레이튼을 포함한다. 연마 패드가 플레이트의 상면에 부착된다. 기판이 고정된 연마 헤드가 연마 패드의 상부에 배치된다. 연마 헤드는 기판을 연마 패드에 회전시키면서 가압하여, 기판을 연마하게 된다. 연마액 공급 라인이 연마 패드 상으로 연마액을 공급한다. 기체 분사 모듈이 연마액이 공급된 연마 패드 상면으로 기체를 분사하여, 연마 헤드 내로 공급되는 연마액의 양을 조절한다. 연마 패드 상에 기체를 분사하여 연마 헤드 내로 공급되는 연마액을 조절함에 따라 화학 기계적 연마의 균일성을 확보할 수 있다.

Description

기판 연마장치{APPARATUS FOR POLISHING A SUBSTRATE}

본 발명은 기판 연마장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 균일한 두께로 제거하기 위한 기판 연마장치에 관한 것이다.

최근 반도체 소자는 고집적화 됨에 따라 그 구조가 다층화 되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층을 평탄화하는 연마 공정이 필수적으로 포함된다.

이러한, 연마 공정을 수행하기 위한 다양한 연마 방법들이 제시되고 있으며, 이들 중 반도체 웨이퍼를 화학적 그리고 기계적인 연마를 동시에 실시하는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP)장치가 널리 사용된다.

기계적 연마는 회전하는 연마패드 위에 반도체 웨이퍼를 위치시킨 상태에서 반도체 웨이퍼에 소정의 하중을 가하며 회전시킴으로써 연마패드와 반도체 웨이퍼 표면간의 마찰에 의해 반도체 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.

또한, 화학적 연마는 연마패드와 반도체 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제인 슬러리(slurry)에 의해 반도체 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.

한편, 화학 기계적 연마는 상기 기계적 연마와 상기 화학적 연마를 혼합한 것으로서, 연마패드 상에 슬러리를 공급하며, 반도체 웨이퍼를 가압 회전시켜 반도체 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.

상기한 화학 기계적 연마를 수행하는 CMP 장치에서 반도체 웨이퍼는 연마면이 원형의 플레이튼(Platen)을 향하도록 폴리싱 헤드(Polishing Head)에 장착되고, 반도체 웨이퍼의 연마면은 연마 패드가 설치된 플레이튼 상에 접촉되도록 놓여진다. 상기 폴리싱 헤드는 상기 플레이튼의 연마 패드에 대향해 반도체 웨이퍼의 후면을 가압한다.

상기 반도체 웨이퍼 상에 형성되는 반도체 칩의 디자인 룰(Design Rule)이 작아짐에 따라 상기 CMP 장치에 대한 연마 균일성이 점차 강조되고 있는 실정이다. 여기서, 상기 연마 균일성은 상기 폴리싱 헤드의 구조를 변경함에 따라 개선되어 왔으며, 반도체 웨이퍼에 압력을 균일하게 전달하기 위해 기압(Pneumatic) 가압 방식이 도입되어 사용되고 있다.

그러나, 상기 CMP 공정 수의 증가와 함께 연마되는 막질의 종류가 다양해지고, 사용되는 슬러리의 종류도 다양해짐에 따라 반도체 웨이퍼에 균일하게 압력을 전달하는 것만으로는 원하는 연마 균일성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연마액을 조절하여 화학 기계적 연마의 균일성을 확보하기 위한 반도체 웨이퍼 연마장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마 장치는 회전 가능한 플레이튼을 포함한다. 연마 패드가 플레이튼의 상면에 부착된다. 기판이 고정된 연마 헤드가 연마 패드의 상부에 배치된다. 연마 헤드는 기판을 연마 패드에 회전시키면서 가압하여, 기판을 연마하게 된다. 연마액 공급 라인이 연마 패드 상으로 연마액을 공급한다. 기체 분사 모듈이 연마액이 공급된 연마 패드 상면으로 기체를 분사하여, 연마 헤드 내로 공급되는 연마액의 양을 조절한다.

이러한, 반도체 웨이퍼 연마장치에 의하면, 연마 패드 상에 기체를 분사하여 연마 헤드 내로 공급되는 연마액을 조절함에 따라 화학 기계적 연마의 균일성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 기판 연마장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 기판 연마장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연마 헤드를 상세하게 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 저면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 연마장치는 플레이튼(Platen)(100), 연마 패드(200), 연마액 공급 라인(300), 연마 헤드(400) 및 기체 분사 모듈(500)을 포함한다.

상기 플레이튼(100)은 평탄한 상부면을 가지는 원형의 테이블로서, 연마 스테이션(110) 상에 설치된다. 또한, 상기 연마 패드(200)는 상기 플레이튼(100)의 상부면에 설치된다.

상기 연마액 공급 라인(300)은 연마 패드(200)의 일측에 대응하도록 형성되어, 상기 연마 패드(200)의 상면에 연마액 즉, 슬러리(slurry)를 공급한다.

한편, 연마 헤드(400)는 상기 연마 패드(200)의 상부에 설치되고, 기판, 본 실시예에서는 구체적으로 반도체 웨이퍼에 대응하는 형상을 갖는다.

즉, 도 2를 참조하면, 연마 헤드(400)는 저면에 고정되는 반도체 웨이퍼(550)를 가압하는 멤브레인(membrane)(410), 멤브레인(410)을 지지하고, 멤브레인(410)에 압력을 가하는 에어와 같은 기체가 유입되는 공간을 제공하는 지지체(도시되지 않음), 멤브레인(410) 및 상기 지지체의 둘레에 형성되어 연마 공정시 반도체 웨이퍼(550)가 연마 헤드(400)로부터 이탈되는 것을 방지하는 유지링(420) 및 연마 헤드(400)의 저면 중심에 형성되어 반도체 웨이퍼(550)를 진공 흡착하여 저면에 고정시키는 진공홀(430)을 포함한다.

상기한 구성의 연마 헤드(400)는 진공홀(430)에 의해 반도체 웨이퍼(550)를 저면에 진공 흡착하여 고정시키고, 멤브레인(410)에 의해 반도체 웨이퍼(550)의 후면을 가압하면서 회전한다.

이에 따라 연마 패드(400)와 접하는 반도체 웨이퍼(550)의 상면이 연마 패드(400)와의 마찰에 따른 기계적 힘과 상기 슬러리에 의한 화학 반응에 의해 반도체 웨이퍼(550)의 연마가 이루어진다.

또한, 기체 분사 모듈(500)은 도 3에 도시된 바와 같이, 연마 헤드(400)의 지름보다 큰 지름을 갖는 환형 형상의 몸체(510) 및 몸체(510)의 저면에 형성되어 도 1의 연마 패드(200) 상면에 소정의 기체를 분사하는 다수의 분사 노즐(520)을 포함한다.

여기서, 몸체(510)가 연마 헤드(400)의 지름보다 큰 지름을 가지므로, 연마 헤드(400)가 소정의 회전 방향으로 회전함에 따라 기체 분사 모듈(500)과 연마 헤드(400)가 동일한 위치에 위치하는 경우, 기체 분사 모듈(500)은 연마 헤드(400)를 외곽에서 둘러싸는 형상을 갖는다.

이때, 상기 기체는 질소(N₂), 오존(O₃), 이산화탄소(CO₂), 헬륨(H₂ ), 아르곤(Ar), 네온(Ne) 중 어느 하나이다.

상기 기체 분사 모듈(500)은 연마액 공급 라인(300)에 의해 공급되는 상기 슬러리의 공급 시작점 이후에서 상기 기체를 분사할 수 있는 위치에 고정되어 형성된다.

따라서, 연마액 공급 라인(300)으로부터 연마 패드(200) 상면에 공급된 상기 슬러리는 분사 노즐(520)을 통해 분사되는 상기 기체에 의해 유량 및 흐름이 가변된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마장치의 동작을 첨부 도면을 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 1에 도시된 기판 연마장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 연마 헤드(400)는 진공홀(430)에 의해 저면에 반도체 웨이퍼(550)를 진공 흡착하고, 멤브레인(410)에 의해 반도체 웨이퍼(550)의 상면을 연마 패드(200)의 상면과 접촉되도록 가압한다.

이어서, 도 4에서와 같이, 반도체 웨이퍼(550)의 상면과 연마 패드(200)의 상면이 접착된 상태에서 연마 헤드(400)와 연마 패드(200)가 소정의 회전방향으로 회전한다. 여기서, 연마 패드(200)는 플레이튼(100)이 회전함에 따라 상기 회전방향으로 회전한다.

이때, 연마액 공급 라인(300)으로부터 연마 패드(200) 상의 슬러리 공급 포인트(600)에 슬러리가 공급된다. 상기 연마액 공급 라인(300)은 고정된 위치에서 상기 슬러리를 연마 패드(200) 상에 공급하지만 연마 패드(200)가 회전함에 따라 연마 패드(200)의 상면 전체에 슬러리를 공급할 수 있다.

상기 기체 분사 모듈(500)은 몸체(510)의 저면에 형성된 분사 노즐(520)을 통해 연마 패드(200) 상에 소정의 기체를 분사한다. 이에 따라 연마 헤드(400) 내로 유입되는 슬러리가 에어 커튼에 의해 조절된다.

즉, 기체 분사 모듈(500)의 분사 노즐(520)로부터 상기 기체가 연마 패드(200) 상에 분사되면 상기 기체가 분사된 영역에서는 슬러리가 다른 영역으로 소정 양이 이동되고, 그에 따라 연마 헤드(400) 내로 공급되는 슬러리의 양이 상기 기체가 분사되지 않은 경우에 비하여 작아진다. 이처럼, 연마 패드(200) 상에 분사되는 기체 분사 모듈(500)에 의해 분사되는 상기 기체의 위치별 분사량을 조절함에 따라 연마 헤드(400) 내로 유입되는 슬러리를 조절한다.

상기한 바와 같이, 연마 헤드(400) 내로 유입되는 슬러리가 조절되면, 반도체 웨이퍼의 연마 정도가 조절된다. 예를 들어, 상기 슬러리가 연마 헤드(400) 내로 많이 유입되는 경우에는 화학 반응이 많이 일어나므로, 연마의 정도가 강해진다. 한편, 상기 슬러리가 연마 헤드(400) 내로 적게 유입되는 경우에는 화학 반응이 적게 일어나므로, 연마의 정도가 약해진다.

이처럼, 기체 분사 모듈(500)에 의해 기체를 분사하여 연마 헤드(400) 내로 유입되는 슬러리의 양을 조절함에 따라 화학 기계적 연마시 발생하는 반도체 웨이퍼의 중심 영역과 외곽 영역과의 연마 차이를 제거할 수 있다.

상기에서는 기체 분사 모듈(500)이 환형 형상을 가지는 경우를 예로 들었으나, 그 외에도 다양한 형상을 가질 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 다른 구성 예를 나타낸 저면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 기체 분사 모듈(700)은 연마 헤드(400)의 외곽 둘레의 일부면에 대응하는 반환형(semi-annular)의 형상을 가지는 몸체(710) 및 몸체(710)의 저면에 형성되어 소정의 기체를 분사하는 다수의 분사 노즐(720)을 포함한다.

상기 기체 분사 모듈(700)은 도 1의 연마액 공급 라인(300)에 의해 공급되는 슬러리의 공급 시점 이후에서 상기 기체를 분사할 수 있는 위치에 고정되어 형성된다.

상기한 구성의 기체 분사 모듈(700)은 다수의 분사 노즐(720)을 통해 상기 기체를 도 1의 연마 패드(200) 상에 분사한다. 따라서, 연마 헤드(400) 내에 유입되는 슬러리가 조절된다.

도 6은 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 또 다른 형성 예를 나타낸 저면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 기체 분사 모듈(800)은 막대 형상의 몸체(810) 및 몸체(810)의 저면에 형성되어 소정의 기체를 분사하는 다수의 분사 노즐(820)을 포함한다. 이때, 몸체(810)는 연마 헤드(400)의 지름보다 큰 형성 길이를 갖는다.

상기 기체 분사 모듈(800)은 도 1의 연마액 공급 라인(300)에 의해 공급되는 슬러리의 공급 시점 이후에서 상기 기체를 분사할 수 있는 위치에 고정되어 형성된다.

상기한 구성의 기체 분사 모듈(800)은 도 1의 기체 분사 모듈과 동일한 동작을 수행하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 실시예에서는 연마 대상체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 연마 장치가 반도체 웨이퍼에 국한되어 적용되지 않음은 물론이다. 예를 들어서, 본 발명의 연마 장치는 액정표시장치에 사용되는 유리기판에 적용될 수도 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기판 연마장치는 연마액 공급 시작점 이후에 형성되어 연마 패드 상에 기체를 분사하여 연마 헤드 내로 유입되는 연마액 즉, 슬러리를 조절하는 기체 분사 모듈을 포함한다.

그러므로, 본 발명은 기체 분사 모듈에 의해 연마 헤드 내로 유입되는 슬러리가 조절됨에 따라 반도체 웨이퍼를 화학적으로 연마하는 슬러리를 조절할 수 있어, 화학 기계적 연마의 균일성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 연마액을 조절함에 따라 화학 기계적 연마의 균일성이 향상됨에 따라 기판의 연마 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 기판 연마장치를 나타낸 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 연마 헤드를 상세하게 나타낸 사시도이다.

도 3은 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 저면도이다.

도 4는 도 1에 도시된 기판 연마장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 다른 구성 예를 나타낸 저면도이다.

도 6은 도 1에 도시된 기체 분사 모듈의 또 다른 형성 예를 나타낸 저면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 플레이튼 200 : 연마 패드

300 : 연마액 공급 라인 400 : 연마 헤드

500 : 기체 분사 모듈 510 : 몸체

520 : 분사노즐

Claims (5)

1. 회전 가능한 플레이튼;

   상기 플레이튼의 상면에 부착된 연마 패드;

   상기 연마 패드의 상부에 배치되고, 기판이 고정되는 저면을 가져서, 상기 기판을 상기 연마 패드에 회전시키면서 가압하는 연마 헤드;

   상기 연마 패드 상으로 연마액을 공급하는 연마액 공급 라인; 및

   상기 연마액이 공급된 상기 연마 패드 상면으로 기체를 분사하여, 상기 연마 헤드 내로 공급되는 상기 연마액의 양을 조절하는 기체 분사 모듈을 포함하는 기판 연마장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기체 분사 모듈은

   상기 연마 헤드의 지름보다 큰 지름의 환형 형상을 갖는 몸체; 및

   상기 몸체의 저면에 형성되어, 상기 기체가 분사되는 분사 노즐을 포함하는 기판 연마장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기체 분사 모듈은

   상기 연마 헤드의 지름보다 큰 길이의 막대 형상을 갖는 몸체; 및

   상기 몸체의 저면에 형성되어, 상기 기체가 분사되는 분사 노즐을 포함하는 기판 연마장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기체 분사 모듈은

   상기 연마 헤드의 외곽 절반을 둘러싸는 반환형(semi-annular) 형상을 갖는 몸체; 및

   상기 몸체의 저면에 형성되어, 상기 기체가 분사되는 분사 노즐을 포함하는 기판 연마장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 기체는 질소, 오존, 이산화탄소, 수소, 아르곤, 헬륨 및 네온 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 연마장치.