KR20060038212A - 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

린스액 공급관의 마모를 방지하는 기판 연마 장치에서, 연마 패드는 회전 테이블에 부착되어 있다. 연마 헤드는 상기 연마 패드가 반도체 기판의 표면을 연마하도록 상기 기판을 파지하여 상기 연마 패드에 밀착시키고, 연마된 기판을 상기 연마 패드의 일측으로 이동시킨다. 로딩 모듈은 상기 연마 패드의 일측에 배치되며 수직 방향으로 이동하면서 상기 연마된 기판을 상기 연마 헤드로부터 언로딩하거나 또는 상기 기판을 상기 연마 헤드에 로딩한다. 린스액 공급관은 상기 로딩 모듈과 연결되며 상기 로딩 모듈과 상기 기판 또는 상기 연마된 기판 사이로 린스액을 공급한다. 상기 린스액 공급관을 보호하기 위하여 상기 린스액 공급관을 감싸는 보호관이 구비된다. 따라서 로딩/언로딩을 위해 수직 상하 이동하는 상기 로딩 모듈에 연결된 린스액 공급관의 마모 손상에 의한 리크를 방지할 수 있다.

Description

화학적 기계적 연마 장치 {Chemical mechanical polisher}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 로딩 모듈을 설명하기 위한 사시도이다.

도 3은 도 2의 I-I'선을 기준으로 한 상기 로딩 모듈의 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 린스액 공급관의 설명하기 위한 부분 단면 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 기판 연마 장치 110 : 회전 테이블

112 : 연마 패드 113 : 슬러리 공급부

114 : 슬러리 120 : 회전 구동부

122 : 연마 헤드 W : 반도체 기판

130 : 로딩 모듈 132 : 척(chuck)

134 : 구동축 136 : 노즐(nozzle)

140 : 린스액 공급관 142 : 린스액 공급 내관

144 : 주름부 146 : 보호관

148 : 린스 탱크 150 : 수직 구동부

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 화학적 기계적 연마 장치에 장착된 로딩 모듈과 연결되어 반도체 기판에 린스액을 제공하는 린스액 공급관에 관한 것이다.

최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 소정의 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.

상기 패턴은 막 형성을 위한 증착, 포토리소그래피, 식각, 이온 주입, 연마, 세정, 건조 등의 다양한 단위 공정들의 순차적 또는 반복적인 공정에 의해 형성된다. 상기와 같은 단위 공정들 중에서 연마 공정은 반도체 장치의 집적도를 향상시키고, 반도체 장치의 구조적, 전기적 신뢰도를 향상시키기 위한 중요한 공정 기술로 대두되고 있다. 최근에는 슬러리(slurry)와 반도체 기판 상에 형성된 막의 화학적 반응 및 연마 패드와 반도체 기판 상에 형성된 막 사이의 기계적인 마찰력에 의해 반도체 기판을 평탄화시키는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정이 주로 사용되고 있다.

상기 화학적 기계적 연마 공정을 수행하기 위한 장치는 일반적으로 회전 테이블 상에 부착된 연마 패드, 반도체 기판을 파지하고 회전시키는 연마 헤드, 연마 패드와 반도체 기판 사이에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부, 연마 패드의 표면 상태를 개선시키기 위한 연마 패드 컨디셔너(conditioner), 반도체 기판을 연마 헤드에 로딩하거나 또는 연마 헤드로부터 반도체 기판을 언로딩하는 로딩 모듈을 구비한다.

또한, 화학적 기계적 연마 공정이 수행되는 도중에 연마 종료 시점을 결정하기 위한 연마 종점 검출 장치를 구비한다.

상기 연마 헤드는 상기 기판의 표면이 상기 연마 패드와 면접하도록 상기 기판을 파지한다. 상기 회전 테이블에 부착된 연마 패드 상에는 슬러리가 공급되고 상기 연마 헤드는 상기 연마 패드 상에서 상기 기판을 가압하고 회전시킨다. 따라서 상기 슬러리와 상기 기판 상에 형성된 막의 화학적 반응 및 상기 연마 패드와 상기 기판 상에 형성된 막 사이의 기계적인 마찰력에 의해 상기 기판의 표면이 평탄화된다.

상기 로딩 모듈은 상기 연마 헤드에 반도체 기판을 로딩할 때 또는 화학적 기계적 연마 공정이 적용되어 평탄화가 완료된 상기 기판을 상기 연마 헤드로부터 언로딩할 때 상기 기판에 대해 홀더 역할을 한다. 또한, 상기 기판을 연마하기 전에 상기 기판에 부착되어 상기 연마 과정에서 스크래치(scratch)를 유발하는 파티클과, 상기 연마 실시 후 상기 기판에 잔류하는 슬러리 등의 이물질을 순수(deionized water) 등을 이용하여 세척하는 린스 기능을 갖는다.

상기 로딩 모듈에 대한 일 예가 미 합중국 특허 제6,054,015호(Brunelli at al.)에 개시되어 있다.

상기 로딩 모듈은 기판을 지지하는 척, 상기 척에 수직 방향 구동력을 제공하기 위한 수직 구동부 및 상기 척과 상기 수직 구동부를 연결하며 상기 구동력을 상기 척에 전달하기 위한 구동축을 포함하여 구성된다. 상기 로딩 모듈은 수직 방향으로 이동하며 반도체 기판을 연마 헤드에 로딩시키거나 상기 연마 헤드로부터 언로딩시킨다. 따라서 상기 로딩 모듈은 수직 방향으로 빈번하게 이동하게 된다.

또한, 상술한 린스 기능을 수행하기 위해서 상기 척의 내부에는 상기 척의 상부면을 통해 린스액을 공급하기 위한 다수의 노즐들이 형성되어 있고, 상기 노즐들은 상기 척의 하부를 통해 상기 린스액 공급관과 연결된다.

통상적으로, 상기 공급관은 상기 로딩 모듈의 수직 상하 운동에 적합하도록 길이 방향으로 확장 가능한 플렉서블 호스로 이루어져 있다. 그런데 상기 로딩 모듈이 상하 구동할 때 상기 플렉서블 호스가 다른 호스의 간섭을 받는다.

상기 로딩 모듈이 장기간 구동하게 되면 상기 플렉서블 호스는 상기 간섭에 의해 마모되어 리크(leak)가 발생하고 또한 리크에 의해 상기 로딩 모듈의 린스 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제가 발생한다. 이와 같이 상기 리크는 불량의 원인으로 작용하고, 이러한 불량에 의해 반도체 장치의 제조에 따른 생산성이 저하되는 문제점이 지적되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 기판 연마 장치의 과 연결되어 린스액을 제공하는 린스액 공급관이 마모되어 리크가 발생하는 문제를 최소화하기 위한 기판 연마 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 기판 연마 장치는, 기판의 표면을 연마하기 위하여 회전 테이블에 부착된 연마 패드와, 상기 기판의 표면이 상기 연마 패드를 향하도록 상기 기판을 파지하여 상기 기판의 표면을 연마하기 위하여 상기 연마 패드에 상기 기판을 밀착시키고 상기 연마 패드에 의해 연마된 기판을 상기 연마 패드의 일측으로 이동시키기 위한 연마 헤드와, 상기 기판 또는 상기 연마된 기판을 지지하고 상기 기판을 상기 연마 헤드로 로딩하기 위하여 또는 상기 연마된 기판을 언로딩하기 위하여 수직 방향으로 이동 가능하도록 상기 연마 패드의 일측에 배치된 로딩 모듈과, 상기 로딩 모듈과 상기 기판 또는 상기 연마된 기판 사이로 린스액을 공급하기 위하여 상기 로딩 모듈과 연결된 린스액 공급관과 상기 린스액 공급관을 보호하기 위하여 상기 린스액 공급관을 감싸는 보호관을 포함한다.

상기 기판 연마 장치의 로딩 모듈은 상기 기판 또는 상기 연마된 기판을 지지하기 위한 척과, 상기 척에 수직 방향 구동력을 제공하기 위한 수직 구동부와, 상기 척과 상기 수직 구동부를 연결하며 상기 구동력을 전달하기 위한 구동축을 포함하며, 상기 린스액을 공급하기 위한 다수의 노즐들은 상기 척의 상부면을 통해 형성되어 있고, 상기 노즐들은 상기 척의 하부를 통해 상기 린스액 공급관과 연결되어 있다.

따라서, 상기 로딩 모듈이 장기간 수직 상하 이동을 하는 동안, 상기 보호관은 상기 린스액 공급관의 마모로부터 보호하는 기능을 하기 때문에 상기 공급관에 마모에 의한 리크가 발생되는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 기판 연마 장치를 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 상기 기판 연마 장치(100)의 회전 테이블(110) 상에는 연마 패드(112)가 부착되어 있다. 연마 헤드(122)는 수평 구동부(120)와 연결되어 반도체 기판(W)의 표면이 상기 연마 패드(112)를 향하도록 상기 기판(W)을 파지하고 있다. 상기 연마 헤드(122)는 상기 기판(W)의 표면이 상기 연마 패드(112)에 의해 연마되도록 상기 연마 패드(112)에 상기 기판(W)을 밀착시키고 회전시키는 기능을 한다.

상기 연마 헤드(122)의 일측에는 로딩 모듈(130)이 배치되어 있다. 상기 로딩 모듈(130)은 상기 기판(W)을 상기 연마 헤드(122)에 로딩시키거나 또는 연마된 상기 기판(W)을 상기 연마 헤드(122)로부터 언로딩하는 기능을 수행한다.

구체적으로, 로봇암(도시되지 않음)이 상기 로딩 모듈(130)의 척(132) 상으로 상기 기판(W)을 한 장씩 이송시킨다. 상기 연마 헤드(122)는 상기 기판(W)을 파지하기 위해 상기 로딩 모듈(130)을 향해 수평 회전한다. 상기 회전은 상기 연마 헤드(122)의 하부면이 상기 기판(W)을 지지하고 있는 상기 로딩 모듈(130)의 척(132)의 상부면과 마주보는 위치에서 정지한다.

이어서, 상기 척(132)은 상기 척(132)과 연결된 수직 구동부(150)에 의해 상 승하여 상기 기판(W)을 상기 연마 헤드(122)의 하부면에 밀착시킨다. 상기 연마 헤드(122)가 공압을 이용하여 상기 기판(W)을 흡착하면 상기 로딩이 완료된다.

한편, 상기 기판(W)의 표면상에는 파티클이 존재할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판(W)이 로봇암에 의해 카세트로부터 이송되는 과정 중에 클린룸(clean room)의 대기에 존재하는 파티클이 상기 기판(W)의 표면상에 부착될 수 있다. 또는 상기 척(132) 상에 존재하는 파티클이 상기 기판(W)의 표면상으로 전이될 수도 있다. 상기 파티클이 부착된 상태에서 상기 연마가 실시되면 상기 파티클은 상기 기판(W) 상에 스크래치를 유발하게 된다.

이에 따라, 상기 연마 헤드(122)가 상기 기판(W)을 파지한 상태에서 상기 로딩 모듈(130)은 상기 척(132) 상에 형성된 노즐(136)을 통해 린스액을 상기 기판(W) 표면상으로 분사하여 파티클들을 제거한다. 이때, 상기 린스액은 순수이다.

상기 린스가 완료되면 상기 연마 헤드(122)는 상기 수평 구동부(120)에 의해 다시 회전하여 상기 연마 패드(112)의 상부로 이동하며, 기판(W)을 연마 패드(112)에 밀착시킨다. 상기 회전 테이블 상의 상기 연마 패드(112)의 상부에는 슬러리 공급부(113)가 구비되며, 상기 연마 패드(112)와 상기 기판(W) 사이로 화학적 연마를 위한 슬러리(114)를 공급한다. 상기 회전 테이블(110)이 회전하기 시작하면 상기 슬러리(114)와 상기 기판(W) 상에 형성된 소정의 막이 화학적으로 반응한다. 이와 동시에, 상기 연마 패드(112)와 상기 기판(W) 상에 형성된 막 사이의 기계적인 마찰력에 의해 상기 기판(W) 표면상의 막이 연마되어 화학적 기계적 연마 공정이 수행된다.

상기 연마가 완료된 후에는 상기 연마 헤드(122)는 상기 연마된 기판(W)을 언로딩하기 위해 상기 로딩 모듈(130) 상으로 이동한다. 상기 연마 헤드(122)가 상기 로딩 모듈(130)의 척(132)과 마주보는 위치에서 상기 척(132)이 수직 상승하여 상기 연마 헤드(122) 하부에 위치한다.

이때, 상기 기판(W)이 연마되는 과정에서 상기 기판(W)의 표면상에 상기 슬러리 및 이물질이 잔류할 수 있다. 따라서 상기 로딩 모듈(130)은 상기 척(132)의 노즐(136)을 통해 사기 기판(W) 표면상으로 린스액을 분사하여 상기 잔류 물질들을 제거한다.

이어서, 상기 연마 헤드(122)는 상기 기판(W)을 흡착하고 있던 공압을 제거하면 상기 기판(W)은 상기 척(132) 상에 안착되어 언로딩이 완료된다.

상기 척(132)의 구조에 대해서는 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 도 1에 도시된 로딩 모듈을 설명하기 위한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 로딩 모듈(130)은 기판(W) 또는 연마된 기판(W)을 지지하는 척(132)을 구비한다. 상기 척(132)에는 수직 방향 구동력을 제공하기 위한 수직 구동부(150)와, 상기 척(132)과 상기 수직 구동부(150)를 연결하며 상기 구동력을 전달하기 위한 구동축(134)이 장착되어 있다. 일 예로, 상기 구동축(134)은 상기 척(132)을 안정감있게 지지할 수 있도록 세 개의 축으로 형성될 수 있다.

도 3은 도 2의 I-I'선을 기준으로 한 상기 로딩 모듈의 단면도이다.

상기 척(132)의 내부에는 상기 척(132)의 상부면을 통해 상기 린스액을 공급하는 다수의 노즐(136)들을 구비한다. 상기 노즐(136)들은 상기 척(132) 내부에서 서로 연통하는 구조로 이루어져 있다. 상기 노즐(136)들은 상기 척의 하부의 중앙을 통해 린스액 공급관(140)과 연결된다.

린스액은 린스 탱크(148)로부터 펌핑되어 상기 린스액 공급관(140)을 통하여 상기 척(132)으로 공급된다. 이때, 상기 린스액 공급관(140) 상에는 상기 린스액의 유량을 조절하기 위한 밸브와 상기 린스액을 펌핑하기 위한 펌프가 설치될 수 있다.

이어서, 상기 척(132)과 연결되는 상기 린스액 공급관(140)에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 도 3에 도시된 린스액 공급관의 설명하기 위한 부분 단면 사시도이다.

도 4를 참조하면, 상기 린스액 공급관(140)은 린스액 공급 내관(142)과 보호관(146)의 이중관으로 형성된다. 이때, 상기 척(132)이 수직 상하 구동함에 따라 상기 척(132)과 연결된 상기 린스액 공급관(140)은 상기 척(132)의 빈번한 수직 구동에 따라 과도한 장력을 받을 수 있다. 따라서 상기 장력을 완화시킬 수 있는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

일 예로, 상기 린스액 공급 내관(142)은 외부에 주름부(144)를 구비한다. 상기 주름부(144)가 길이 방향으로 확장 가능함으로 상기 장력을 완화시키는 기능을 한다. 상기 린스액 공급 내관(142)은 사출형성이 용이한 PFA(perfluoroalkoxy)로 명명되는 불소수지계 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.

상기 린스액 공급 내관(142)의 외부에는 상기 린스액 공급 내관(142)을 감싸 는 보호관(146)이 형성된다. 상기 보호관(146)은 내마모성 수지인 폴리프로필렌(poly-propylene)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 척(132)이 상하 구동을 할 때 상기 린스액 공급 내관(142)이 주변에 설치된 질소(N₂) 공급관(도시되지 않음), 배출관(도시되지 않음) 등의 다른 여러 관들에 의해 잦은 간섭을 받더라도 쉽게 마모되지 않는다.

또한, 상기 척(132)의 과도한 상하 운동에 의해 린스액 공급 내관(142)의 일부에 리크가 발생될 경우에 상기 보호관(146)에 의해 상기 리크의 정도가 현저히 완화될 수 있다. 따라서 상기 리크에 의해 상기 기판(W) 표면의 파티클을 세척하는 린스 기능이 급격히 저하되어 반도체 장치의 수율을 떨어뜨리는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기판 연마 장치에서 로딩 모듈과 연결되는 린스액 공급관 외부에 보호관을 형성하여 상기 린스액 공급관 상에 마모 등으로 인해 리크가 발생하는 것을 미연에 방지한다. 이에 따라, 기판 연마 장치의 불량 및 상기 기판의 불량을 감소시켜 반도체 장치의 생산성을 증대시키는 효과가 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 기판의 표면을 연마하기 위하여 회전 테이블에 부착된 연마 패드;

   상기 기판의 표면이 상기 연마 패드를 향하도록 상기 기판을 파지하여 상기 기판의 표면을 연마하기 위하여 상기 연마 패드에 상기 기판을 밀착시키고, 상기 연마 패드에 의해 연마된 기판을 상기 연마 패드의 일측으로 이동시키기 위한 연마 헤드;

   상기 기판 또는 상기 연마된 기판을 지지하고, 상기 기판을 상기 연마 헤드로 로딩하기 위하여 또는 상기 연마된 기판을 언로딩하기 위하여 수직 방향으로 이동 가능하도록 상기 연마 패드의 일측에 배치된 로딩 모듈;

   상기 로딩 모듈과 상기 기판 또는 상기 연마된 기판 사이로 린스액을 공급하기 위하여 상기 로딩 모듈과 연결된 린스액 공급관; 및

   상기 린스액 공급관을 보호하기 위하여 상기 린스액 공급관을 감싸는 보호관을 포함하는 기판 연마 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 보호관은 내마모성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 기판과 상기 연마 패드 사이로 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 로딩 모듈은 상기 기판 또는 상기 연마된 기판을 지지하기 위한 척과, 상기 척에 수직 방향 구동력을 제공하기 위한 수직 구동부와, 상기 척과 상기 수직 구동부를 연결하며 상기 구동력을 전달하기 위한 구동축을 포함하며, 상기 린스액을 공급하기 위한 다수의 노즐들은 상기 척의 상부면을 통해 형성되어 있고, 상기 노즐들은 상기 척의 하부를 통해 상기 린스액 공급관과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 린스액은 순수인 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.

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