KR20060127506A - 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

화학적 기계적 연마 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 집적회로 제조를 위한 화학적 기계적 연마장치는 폴리싱 스테이션, 폴리싱 헤드, 연마제 이송부를 포함한다. 상기 폴리싱 스테이션은 연마 패드가 부착된 플래튼을 가지며, 상기 폴리싱 헤드는 상기 플래튼의 연마 패드 상에 놓인 웨이퍼를 폴리싱 하기 위해 연마 패드에 대향해서 상기 웨이퍼를 유지하고 상기 웨이퍼의 후면으로 하향 압력을 균일하게 가한다. 상기 연마제 이송부는 상기 연마 패드 상부에 위치하고, 상기 연마 패드 상의 이물질을 제거하는 세정제를 분사하는 제 1 분사구를 갖는다. 본 발명에서 상기 연마제 이송부는 상기 분사된 세정제가 상기 패드 상에서 사방으로 반사되는 것을 방지하기 위해 상기 제 1 분사구를 둘러싼 그물채를 포함하고 있다. 본 발명에 의하면, 화학적 기계적 연마 장치에서 고압력의 세정제를 사용하여 패드 상의 이물질을 제거할 경우 퓸의 발생을 방지하여, 화학적 기계적 연마 장치의 오염을 방지한다.
화학적 기계적 연마, 웨이퍼 평탄화, 연마제, 패드

Description

화학적 기계적 연마 장치{CHEMICAL AND MECHANICAL POLISHING SYSTEM}
도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 패드 상의 이물질을 제거하는 장치이다.
도 2는 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치의 개략적인 블록도이다.
도 3은 도 2의 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 패드 상의 이물질을 제거하는 장치이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 화학적 기계적 연마 장치 20 : 이송부
30 : 연마부 40 : 크리너 장치
50 : 이송 로봇 55 : 폴리싱 헤드
60 : 웨이퍼 65 : 폴리싱 스테이션
70 : 연마 패드 75 : 연마제 이송부
80 : 연마제 분사구 85 : 세정제 분사구
90 : 그물채
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 소자 제조 공정은 웨이퍼 상에 박막층을 형성하는 증착공정과 그 박막층상에 미세한 회로패턴을 형성하기 위한 식각공정을 포함한다. 웨이퍼상에 요구되는 회로패턴이 형성될 때까지 이들 공정은 반복되고, 회로패턴이 형성된 후 웨이퍼의 표면에는 많은 굴곡이 생긴다. 최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되며, 웨이퍼 표면의 굴곡의 수와 이들 사이의 단차는 증가하고 있다. 웨이퍼 표면의 비평탄화는 포토리소그래피 공정에서 디포커스등의 문제를 발생하므로 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 주기적으로 연마하여야 한다.
웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 다양한 표면 평탄화 기술이 있으나 이 중 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 장치가 주로 사용된다. 화학적 기계적 연마 장치는 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 장치로서, 아주 미세한 연마를 가능하게 한다. 기계적 연마는 회전하는 연마용 판인 연마 패드에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(Slurry)라는 화학적 연마제에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이다.
상기 연마 패드는 웨이퍼 패턴 면에 직접 닿아서 연마해 주는 부분이므로, 이물질이 존재하면 웨이퍼에 스크래치가 발생될 가능성이 크다. 상기 연마 패드의 이물질을 제거하기 위해서 질소 가스와 초순수(DI Water)를 이용한 고 압력 린스를 사용한다.
도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 패드의 이물질을 제거하기 위한 장치이다.
연마 패드(7) 상에 웨이퍼(미도시됨)가 이송되어오면 연마제 이송부(1)의 연마제 분사구(3)를 통해 연마제인 슬러리가 연마 패드(7) 상에 공급된다. 상기 웨이퍼를 잡고 있는 헤드(미도시됨)부에 주어진 압력을 가해서 상기 연마 패드(7)와의 마찰에 의해 웨이퍼는 연마되어지고, 상기 연마된 웨이퍼 막질 표면에 잔존하는 오염 물질을 제거하기 위해서 상기 웨이퍼는 크리너 장치(미도시됨)로 이송된다. 상기 연마 패드(7) 상의 이물질을 제거하기 위해서 연마제 이송부(1)의 세정제 분사구(5)를 통해 질소 가스와 초순수로 이루어진 고압력의 린스를 상기 연마 패드(7) 상으로 분사한다. 그런데 고 압력 린스가 그대로 연마 패드(9) 위에 부딪힘으로써 도 1에서 보듯이 사방으로 반사하게 되어 CMP 장치 내에 퓸(FUME)을 발생하게 한다. 이들 반사된 고압의 세정제에는 패드 바닥에 있던 슬러리나 기타 오염물질이 섞여 있다. 이들이 미들 커버, 크로스 로우 커버, 헤드 아우터 클램트 등의 폴리싱 유닛들의 표면에 붙어 슬러리와 오염물질이 섞인 채로 고화된다. 그리고 이 고화된 슬러리와 오염물질은 파티클 형태로 연마 패드부 위로 떨어져 CMP 작업중 파티클에 의한 오염, 크고 작은 흠집(Macro, Micro Scratch) 등의 현상을 일으키게 된다. 그리고 스크래치 등의 현상은 웨이퍼에 형성된 각 부분의 패턴을 훼손시켜 게이트 절연막에서의 누설, 게이트 라인 브리지(Bridge) 등의 문제를 일으키고, 결국 생산된 반도체장치 소자의 수율 감소, 신뢰성 저하를 가져온다. 따라서, 고압력의 세정제를 사용하여 패드의 이물질을 제거할 경우 퓸의 발생을 막을 필요성이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, CMP 장치에서 고압력의 세정제를 사용하여 패드 상의 이물질을 제거할 경우에 퓸의 발생을 방지할 수 있는 장치를 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 집적회로 제조를 위한 화학적 기계적 연마장치는 폴리싱 스테이션, 폴리싱 헤드, 연마제 이송부를 포함한다. 상기 폴리싱 스테이션은 연마 패드가 부착된 플래튼을 가지며, 상기 폴리싱 헤드는 상기 플래튼의 연마 패드 상에 놓인 웨이퍼를 폴리싱 하기 위해 연마 패드에 대향해서 상기 웨이퍼를 유지하고 상기 웨이퍼의 후면으로 하향 압력을 균일하게 가한다. 상기 연마제 이송부는 상기 연마 패드 상부에 위치하고, 상기 연마 패드 상의 이물질을 제거하는 세정제를 분사하는 제 1 분사구를 갖는다. 본 발명에서 상기 연마제 이송부는 상기 분사된 세정제가 상기 패드 상에서 사방으로 반사되는 것을 방지하기 위해 상기 제 1 분사구를 둘러싼 그물채를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 세정제를 분사하는 제 1 분사구는 상기 연마제 이송부에서 상기 패드를 마주보는 측면에 뚫린 하나 이상의 제트 스프레이 분사구이다. 또한, 상기 연마제 이송부는 상기 연마 패드 상에 연마제를 공급하기 위한 제 2 분사구를 상기 이송부의 끝단에 더 가지고 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연마제 이송부는 연마제와 세정제가 이송되는 내부에 관통된 통로를 가진다. 상기 통로는 상기 제 1 분사구와 상기 제 2 분사구와 연결되어 웨이퍼를 폴리싱할 경우 연마제만 이송하여 상기 제 2 분사구를 통해 분사하고, 연마 패드를 세정할 경우 상기 제 1 분사구를 통해 세정제를 분사한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연마제는 슬러리이고, 상기 세정제는 질소 가스와 초순수의 혼합물이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 그물채의 재질은 스테인레스 강(SUS)이다. SUS는 녹이 잘 슬지 않아 추가적인 오염 발생의 걱정이 없고, 견고하므로 잦은 부품 교체가 필요하지 않다. 고압력의 세정제를 촘촘한 그물채를 통해 분사함으로써, 상기 고압력의 세정제가 그대로 연마 패드에 닿아 퓸이 발생되는 것을 방지한다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMP 장치의 개략적인 블록도이다. 도 2를 참고하면, CMP 장치(10)는 웨이퍼를 카세트에서 로딩/언로딩하는 이송부 (20)와, 웨이퍼를 폴리싱 하는 연마부(30), 폴리싱을 마친 후 웨이퍼에 남아 있는 오염물질을 제거하는 크리너 장치(40) 그리고 이들 각 스텝 별로 웨이퍼를 이송시키기 위한 이송 로봇(50)으로 구성된다. 상기 이송부(20)의 스테이지(22)에 올려진 웨이퍼는 이송 로봇(50)에 의해 연마부(30)로 이송되고, 폴리싱을 마친 웨이퍼는 롱 로봇에 의해 크리너 장치(40)로 이동된다. 크리너 장치(40)는 인풋 스테이션(42), 제 1 브러쉬 스테이션(44), 제 2 브러쉬 스테이션(46) 그리고 스핀 스테이션(48)로 나누어진다. 상기 제 1, 2 브러쉬 스테이션(44, 46)에서는 암모니아와 불산을 이용하여 웨이퍼 막질에 남아 있는 여러 오염물질들이 제거되고, 스핀 스테이션(48)에서는 노즐을 통한 초순수 린스로 마지막 세정이 이루어지고, 동시에 웨이퍼를 고속으로 회전시키면서 가열 램프와 함께 건조를 행함으로써 프로세스가 완료된다.
본 CMP 장치의 핵심적인 부분인 연마부(30)는 폴리싱 헤드(55), 폴리싱 스테이션(65) 및 연마제 수송부(75)로 이루어져 있다.
상기 폴리싱 헤드(55)는 연마 패드(70)에 대향해서 웨이퍼(60)를 유지하고 웨이퍼(60)의 후면으로 하향 압력을 균일하게 분포시킨다. 폴리싱 헤드(55)는 모터에 연결된 구동축(미도시됨)에 의해 분당 40 내지 70 회전수로 회전할 수 있다. 물론, 이보다 낮거나 높은 회전속도를 사용할 수 있다. 또, 폴리싱 헤드(55)에는 공기압을 제공하거나, 또는 웨이퍼를 진공으로 흡착하기 위한 진공을 제공하는 적어도 2개의 유체 공급 채널들이 연결될 수 있다. 물론, 이들 유체 공급 채널들에는 펌프들이 각각 연결된다.
상기 폴리싱 스테이션(65)은 연마 패드(70)가 부착되어진 회전 가능한 플래튼들을 포함한다. 상기 플래튼은 플래튼을 회전시키기 위한 수단(미도시됨)에 연결되어지며, 가장 양호한 폴리싱 과정에서, 상기 회전 수단은 상기 플래튼을 분당 약 50 내지 80회전수로 회전시킨다. 물론, 이보다 낮거나 높은 회전속도를 사용할 수 있다. 상기 연마 패드(70)는 거친 폴리싱 면을 갖는 복합재료일 수 있다.
상기 연마제 이송부(75)는 웨이퍼(60)를 평탄화하는 과정에서 필요한 연마제, 예컨대 슬러리를 연마 패드(70)에 제공하는 기능을 갖는다. 상기 슬러리는 반응시약(예, 산화폴리싱용 탈이온수)과 마찰 입자(예, 산화폴리싱용 이산화규소)와 화학 반응 촉매(예, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함할 수 있다. 또한 상기 연마제 이송부(75)는 웨이퍼(60)의 평탄화 후 상기 연마 패드(70) 상에 남아 있는 오염물을 제거하기 위한 세정제를 제공하는 기능을 갖는다.
도 3은 도 2의 연마부(30)의 일부분을 자세히 나타낸 단면도이다.
연마 패드(70)의 상부에 상기 연마 패드(70)에 연마제와 세정제를 공급하기 위한 연마제 이송부(75)가 위치하여 있다. 상기 연마 패드(70)는 상기 폴리싱 스테이션(65)의 플래튼에 부착되어져 있다. 상기 연마제 이송부(75)는 길이를 따라 연마제와 세정제를 이동시키기 위한 통로가 내부에 형성되어 있다. 또한 상기 연마제 이송부(75)에서 연마 패드(70)를 마주보는 측면에 상기 연마 패드(70)에 세정제를 공급하기 위한 제 1 분사구(85)가 하나 이상 뚫려 있으며, 상기 세정제를 이동시키기 위한 통로와 연결되어 있다. 바람직한 실시예에서 상기 제 1 분사구(85)는 제트 스프레이 분사구이며, 상기 제 1 분사구(85)의 숫자는 하나 이상이다. 상기 세정제 는 질소 가스와 초순수로 이루어진 혼합물이며, 제 1 분사구(85)를 통해 연마 패드(70) 상에 분사되어 상기 연마 패드(70) 상의 이물질을 제거한다. 상기 제 1 분사구(85)의 세정제가 분사되는 위치에 본 발명의 특징적인 요소인 그물채(90)가 설치되어 있다. 상기 그물채(90)는 스테인레스 강(SUS)로 이루어져 녹이 발생하지 않는다. 연마제 이송부(75)의 내부 통로를 통해 이송된 세정제가 상기 제 1 분사구를 통해 고압력으로 분사될 때, 촘촘한 그물 모양으로 형성된 상기 그물채(90)를 통과함으로써 굵은 세정제의 줄기가 도 3에서 보듯이 여러 가는 줄기로 나누어지게 된다. 이 경우 세정제가 연마 패드(90)에 분사되더라도 사방으로 반사되지 않고 퓸이 발생되지 않는다. 따라서 연마 패드(70) 상의 이물질을 제거하기 위해 고압력의 세정제를 사용할 경우, 상기 고압력의 세정제에 의해 CMP 설비 내에 오염이 발생되는 문제가 해결된다. 연마제 이송부(75)의 끝단에 내부 통로를 통해 이송된 슬러리가 배출되는 제 2 분사구(80)가 상기 내부 통로와 연결돼 있다.
상기 연마부(30)에 웨이퍼(60)가 이송되어오면 폴리싱 헤드(55)는 웨이퍼(60)를 유지하고 웨이퍼(60)의 후면으로 하향 압력을 가한다. 이와 동시에 연마제 이송부(75)의 제 2 분사구(80)를 통해 슬러리가 공급되어진다. 회전하는 연마용 판인 연마 패드(70)에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드(70)와 웨이퍼(60) 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼(60) 표면이 기계적으로 연마되어지고, 연마 패드(70)와 웨이퍼(60) 사이에 공급되는 슬러리(Slurry)라는 화학적 연마제에 의해 웨이퍼(60) 표면이 화학적으로 연마되어진다. 연마된 웨이퍼는 크리너 장치(40)로 이송된다. 웨이퍼(60)가 연마부(30)에서 제거되면, 이와 동시에 연마 패드(70) 상에 남아 있는 오염 물질을 제거하기 위해 연마제 이송부(75)의 제 1 분사구(85)를 통해 세정제가 분사된다. 상기 분사된 세정제는 제 1 분사구(85) 출구에 설치된 그물채(90)를 통과함으로써 여러 갈래의 가는 줄기로 나누어져 연마 패드(70) 상에 뿌려지게 되어, 연마 패드(70) 상의 오염물질을 제거한다. 이 때 상기 연마 패드(70) 상에 뿌려진 세정제는 상기 그물채(90)를 통과함으로써 사방으로 튀지 않으며 퓸을 발생시키지 않는다.
이상에서는 바람직한 실시예들을 예시하고 그것을 통해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 거기에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양한 실시예들 및 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명에 의하면, 화학적 기계적 연마 장치에서 고압력의 세정제를 사용하여 패드 상의 이물질을 제거할 경우에 퓸의 발생을 방지하여, 화학적 기계적 연마 장치의 오염을 방지한다.

Claims (6)

  1. 집적회로 제조를 위한 화학적 기계적 연마장치에 있어서:
    연마 패드가 부착된 플래튼을 갖는 폴리싱 스테이션과;
    상기 플래튼의 연마 패드 상에 놓인 웨이퍼를 폴리싱 하기 위한 폴리싱 헤드 와;
    상기 연마 패드 상부에 위치하고, 상기 연마 패드 상의 이물질을 제거하는 세정제를 분사하는 제 1 분사구를 가지는 연마제 이송부 및;
    상기 분사된 세정제가 상기 패드 상에서 사방으로 반사되는 것을 방지하도록 상기 제 1 분사구를 둘러싼 그물채를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제 이송부는 상기 연마제와 세정제가 이송되는 내부에 관통된 통로를 가지며, 상기 세정제를 분사하는 제 1 분사구는 상기 연마제 이송부에서 상기 연마 패드를 마주보는 측면에 뚫린 하나 이상의 제트 스프레이 분사구인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정제는 질소 가스와 초순수의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그물채의 재질은 녹이 쓰지 않는 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제 이송부는 상기 이송부의 끝단에 설치되며, 상기 연마 패드에 연마제를 분사하는 제 2 분사구를 더 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제는 슬러리인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
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