KR20070077683A - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

슬러리를 이용하는 화학 기계적 연마 장치는, 연마 패드가 부착된 회전 테이블과, 상기 회전 테이블을 가열시키기 위한 가열부와, 웨이퍼를 파지하고 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼의 연마면을 접촉시키기 위한 연마 헤드와, 상기 회전 테이블로 슬러리를 제공하는 슬러리 공급부와, 상기 연마 헤드의 연부를 따라 장착된 리테이너 링을 포함한다. 여기서, 상기 리테이너 링에 온도 측정부를 내장시켜 상기 웨이퍼와 접하는 연마 패드의 온도를 감지하고, 상기 감지된 온도를 제어부에서 기 설정된 온도와 비교하여 상기 가열부의 온도를 조절하여 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 동안 상기 연마의 공정 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 장치{Chemical mechanical polishing apparatus}

도 1은 공정 온도에 따른 텅스텐 막 및 산화막의 연마율 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 2는 공정 온도에 따른 산화막 침식 정도를 설명하기 위한 개략적인 그래프이다.

도 3은 공정 온도에 따른 슬러리의 특성 변화를 설명하기 위한 개략적인 그래프이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 화학 기계적 연마 장치의 연마 헤드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 6은 도 4에 도시된 화학 기계적 연마 장치의 리테이너 링 및 온도 측정부를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 화학 기계적 연마 장치 100 : 회전 테이블

102 : 연마 패드 104 : 회전축

106 : 가열부 110 : 연마 헤드

120 : 리테이너 링 130 : 온도 측정부

132 : 제어부 140 : 슬러리 제공부

150 : 패드 컨디셔너

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 온도에 따라 웨이퍼 연마면의 연마율이 변화하는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 팹(fabrication; FAB) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 공정과, 상기 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.

상기 팹 공정은 웨이퍼 상에 막을 형성하기 위한 증착 공정과, 상기 막을 평탄화하기 위한 화학 기계적 연마 공정과, 상기 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 막을 전기적인 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정과, 웨이퍼의 소정 영역에 특정 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정과, 웨이퍼 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 웨이퍼의 표면을 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.

상기 단위 공정 중 화학 기계적 연마 공정은, 슬러리에 의한 화학적 반응과, 압력 및 연마제에 의한 기계적 효과에 의해 웨이퍼의 연마면을 평탄하게 한다.

이때, 상기 웨이퍼의 연마면을 균일하게 연마하기 위하여 영향을 미치는 요인들로는 연마 헤드 및 회전 테이블의 분당 회전수(revolution per minute; RPM), 연마 헤드의 압력, 회전 테이블 상에 구비된 연마 패드의 형상 또는 공정 온도 등이 있다.

특히, 상기 공정 온도는 연마율(removal rate), 막의 침식(erosion) 등과 같은 공정 불량에 상당한 영향을 미친다. 이러한 공정 온도 변화에 따른 연마율 변화 및 공정 불량의 연관성은 상기 공정 온도에 따라 상기 공정에 사용되는 슬러리의 특성이 변화되기 때문이다.

도 1은 공정 온도에 따른 텅스텐 막 및 산화막의 연마율 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 1을 참조하면, 동일한 슬러리를 사용하여 동질의 막을 연마하는데 있어서, 공정 온도가 변화됨에 의해 연마율이 변화하는 것을 알 수 있다. 예를 들어 설명하면, 텅스텐 막을 세리아 슬러리를 이용하여 연마하는데 있어서, 공정 온도가 증가할수록 상기 텅스텐 막 연마율이 증가한다(A). 이와는 다르게, 산화막을 세리아 슬러리를 이용하여 연마하는데 있어서, 공정 온도가 감소할수록 상기 산화막 연마율이 감소한다(B).

도 2는 공정 온도에 따른 산화막 침식 정도를 설명하기 위한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 동일한 양을 연마한 막질은 상기 연마 공정의 온도가 증가할수록 연마 공정 후 막질 침식량이 증가함을 알 수 있다. 예를 들어 설명하면, 산 화막을 약 5℃에서 약 5000Å 연마한 경우, 상기 산화막의 침식은 약 1500Å 정도 발생하였다. 반면, 산화막을 약 60℃에서 5000Å의 동일한 양을 연마한 경우, 상기 산화막의 침식은 약 2500Å 발생하였다.

도 3을 참조하면, 공정 온도가 증가하면, 공정에 사용되는 슬러리의 점도가 감소하게 되며, 웨이퍼의 연마면 및 연마 패드의 마찰 계수가 증가하게 된다. 상기 점도 및 마찰 계수(COF)는 상기 웨이퍼의 연마면의 연마율에 상당한 영향을 미치게 된다.

상기 연마율이 영향을 미치는 공정 온도를 제어하기 위하여 웨이퍼와 접하는 연마 패드가 부착된 회전 테이블의 온도 제어가 필수적이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연마 패드 표면의 온도를 측정하여 상기 연마 패드가 접착된 회전 테이블의 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위한 화학 기계적 연마 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 화학 기계적 연마 장치는, 웨이퍼의 표면을 연마하기 위하여 상부면에 연마 패드(polishing pad)가 부착된 회전 테이블(turn table)과, 상기 회전 테이블과 연결되어 있으며, 상기 연마 패드의 표면 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위하여 상기 회전 테이블을 가열하기 위한 가열부와, 상기 웨이퍼의 연마면이 상기 연마 패드와 마주보도록 상기 웨이퍼를 파지하고, 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼의 연마면을 상기 연 마 패드와 접촉시키며 상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 연마 헤드(polishing head)와, 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 슬러리(slurry)를 제공하기 위한 슬러리 공급부(slurry suppler)와, 상기 연마 헤드의 연부를 따라 장착되고 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼의 이탈을 방지하기 위한 리테이너 링(retainer ring)과, 상기 연마 패드의 온도를 감지하기 위하여 상기 리테이너 링에 내장된 온도 측정부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학 기계적 연마 장치는 상기 온도 측정부와 연결되어 있으며, 상기 감지된 온도를 설정된 온도와 비교하여 상기 가열부의 온도를 조절하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 화학 기계적 연마 장치는 상기 온도 측정부의 측정 결과에 기초하여 상기 웨이퍼의 연마 종점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 리테이너 링에 온도 측정부를 내장하여 연마 패드의 온도를 감지하고, 제어부에서 감지된 온도와 설정된 온도를 비교하여 회전 테이블에 연결된 가열부를 제어함으로써 화학 기계적 연마 공정의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 상기 공정 온도의 차이에 의한 공정 불량을 미연에 억제할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 4를 참조하면, 화학 기계적 연마 장치(10)는 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마 패드(102)가 부착된 회전 테이블(100)과, 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(102)와 마주보도록 웨이퍼(W)를 파지하고 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 웨이퍼(W)의 연마면을 연마 패드(102)와 접촉시키고 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 웨이퍼(W)를 회전시키는 연마 헤드(110)와, 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 웨이퍼(W) 및 연마 패드(102) 사이에 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급부(140)를 포함한다.

회전 테이블(100)은 웨이퍼(W)의 연마면보다 넓은 원반형상을 가지며, 상부면에 원형 연마 패드(102)가 접착제에 의해 부착되어 있다. 상기 연마 패드(102)의 표면에는 슬러리 공급부(140)로부터 제공되는 슬러리의 유동을 위한 다수의 그루브(groove, 도시되지 않음)들이 동심원 상으로 형성되어 있으며, 상기 슬러리를 수용하기 위한 미공(도시되지 않음)들이 형성되어 있다.

상기 회전 테이블(100) 하부에는 상기 회전 테이블(100)을 회전시키기 위한 구동력을 제공하기 위한 구동 장치(도시되지 않음)가 회전축(104)에 의해 연결되어 있다. 이때, 상기 회전 테이블(100)이 회전함으로써 상기 웨이퍼(W)의 연마면을 연마하는 동안, 상기 회전 테이블(100)의 위치별 각속도 차이에 의해 연마면의 위치별 연마율 차이가 발생할 수 있다. 이를 최소화하기 위하여 상기 회전 테이블(100)과 연마 헤드(110)는 서로 반대 방향으로 회전하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전 테이블(100)에는 상기 회전 테이블(100)을 기 설정된 공정 온도로 가열하기 위한 가열부(106)가 연결되어 있다. 예컨대, 상기 가열부(106)는 저항 열선일 수 있으며, 상기 저항 열선은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전 테 이블(100) 내에 구비될 수 있다.

상기 가열부(106)에 의해 회전 테이블(100)이 가열되고, 상기 연마 패드(102)가 가열된다. 상기 연마 패드(102)는 슬러리와 함께 설정된 공정 온도에서 상기 웨이퍼(W)의 연마면을 연마할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 화학 기계적 연마 장치의 연마 헤드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 연마 헤드(110)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(102)를 향하도록 웨이퍼(W)를 파지하고, 웨이퍼(W)의 연마 공정 도중에는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(102)와 접촉하도록 웨이퍼(W)를 하강시키고, 웨이퍼(W)를 회전시킨다. 이때, 상기 웨이퍼(W)는 연마 헤드(110) 내부로 제공되는 진공에 의해 파지되고, 연마 헤드(110) 내부로 제공되는 공기압에 의해 승하강한다.

도 6은 도 4에 도시된 화학 기계적 연마 장치의 리테이너 링 및 온도 측정부를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 6을 참조하면, 리테이너 링(120)은 상기 연마 헤드(110)의 하부면 연부를 따라 장착되고 상기 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 상기 웨이퍼(W)의 이탈을 방지한다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 리테이너 링(120)은 상기 연마 헤드(110)에 파지된 웨이퍼(W)가 상기 연마 헤드(110)의 회전속도에 의해 이탈되는 것을 방지하기 위하여 PEEK(polyetheretherketone)과 같은 불가소성 플라스틱(thermoplatic) 재질로 이루어져 있다.

온도 측정부(130)는 상기 리테이너 링(120) 일 측에 내장되어 있으며, 상기 연마 패드(102)의 표면 온도를 감지한다. 특히, 상기 온도 측정부(130)는 상기 웨이퍼(W)의 주연 부위와 인접한 리테이너 링(120)에 내장된다. 이는 상기 웨이퍼(W)와 접촉하고 있는 연마 패드(102)와 가장 인접한 연마 패드(102) 부위의 온도를 측정하기 위함이다.

이때, 상기 온도 측정부(130)에서 측정된 온도는 상기 회전 테이블(100)에 설정된 온도와 차이가 날 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 회전 테이블(100)에 설정된 온도와 상기 온도 측정부(130)에서 측정된 연마 패드(102) 표면의 온도는 실질적으로 동일하여야 한다. 그러나, 상기 연마 헤드(110)의 웨이퍼(W) 및 회전 테이블(100)의 연마 패드(102)가 접촉하여 회전하는 동안, 상기 회전력으로 인하여 상기 연마 패드(102) 표면의 온도가 상승될 수 있다. 또는 상기 연마 패드(102) 상부로 슬러리가 제공될 때, 상기 연마 패드(102)의 온도보다 낮은 온도를 갖는 슬러리에 의해 연마 패드(102) 표면의 온도가 하강될 수 있다. 따라서, 회전 테이블(100)에 설정된 온도와 상기 온도 측정부(130)에서 측정된 연마 패드(102) 표면 온도 사이에 차이가 발생한다.

이때, 상기와 같이 연마 패드(102) 표면의 온도가 기 설정된 온도 범위를 벗어나는 경우, 상기 슬러리의 특성이 변하게 된다. 상기 슬러리의 특성이 변화되면, 연마율이 변화되고, 연마 후 막질의 침식 정도가 커지게 된다. 따라서, 상기 온도 변화는 다양한 공정 불량을 초래하게 된다.

따라서, 상기 온도 측정부(130)에서 지속적으로 상기 연마 패드(102) 표면의 온도를 감지하고, 상기 감지된 온도를 제어부(132)로 전송한다.

제어부(132)는 상기 감지된 온도를 기 설정된 온도와 비교하여 상기 감지된 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 회전 테이블(100)의 가열부(106) 온도를 조절하여 상기 연마 패드(102)의 온도를 기 설정된 온도로 일정하게 유지한다.

이로써, 화학 기계적 연마 공정에서 공정 온도 변화에 의한 다양한 공정 불량을 미연에 억제할 수 있다.

상기 제어부(132)는 웨이퍼(W) 연마면의 연마 종점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부(134)와 연결되어 있다. 상기 제어부(132)에서 상기 감지된 온도와 기 설정된 온도 사이 차이가 기 설정된 범위를 벗어나면, 이 시점을 웨이퍼(W)의 연마 종점이라고 판단한다.

이는 웨이퍼(W)의 연마 종점이라 함은 웨이퍼(W) 연마면의 막질의 변화가 발생할 때이며, 상기 연마면의 막질의 변화는 슬러리와의 화학적 반응의 변화 또는 연마 헤드(110)에 의해 연마되는 정도의 변화가 발생하여 연마 패드(102) 표면의 온도가 급격하게 하강 또는 상승할 수 있다.

따라서, 제어부(132)와 연결된 연마 종점 검출부(134)는 상기 정보를 이용하여 상기 화학 기계적 연마 공정을 멈출 수 있다.

슬러리 공급부(140)는 상기 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 상기 웨이퍼(W)와 연마 패드(102) 사이에 슬러리를 공급한다. 상기 공급된 슬러리는 상기 연마 패드(102)의 미공들에 수용되며, 연마 패드(102)의 회전에 의해 상기 웨이퍼(W)와 연마 패드(102) 사이로 공급된다.

한편, 상기 슬러리 공급부(140)는 상기 연마 패드(102)의 회전 방향에 대하여 상기 연마 헤드(110)의 전방 부위 상부에 배치될 수 있다.

상기 슬러리는 연마제와 첨가제로 이루어져 있다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 연마제는 공정을 수행하는 동안 기계적 연마를 위한 미세 입자들로 이루어져 있으며, 첨가제는 화학적 연마를 위하여 산 또는 염기를 포함한다.

또한, 도 4를 참조하면, 상기 화학 기계적 연마 장치(10)는 패드 컨디셔너(pad conditioner, 150)를 더 포함할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 패드 컨디셔너(150)는 연마 부산물로 인해 막힌 연마 패드(102)의 미공들을 재생시키는 기능을 한다. 또한, 상기 패드 컨디셔너(150)는 다이아몬드 입자들이 니켈 도금에 의해 부착되어 있다.

여기서, 상기 연마 패드(102)의 미공들이 막히는 것은, 연마 도중에 발생하는 연마 부산물에 의한 것이다. 이를 재생시키기 위하여 우선, 상기 패드 컨디셔너(150)를 상기 연마 패드(102) 표면과 접촉시킨다. 이어서, 상기 패드 컨디셔너(150)를 회전시킨다. 상기 회전으로 인하여 상기 패드 컨디셔너(150)의 다이아몬드 입자들이 상기 미공을 막고 있는 연마 부산물들과 충돌함으로써 상기 연마 패드(102)의 미공들을 재생시킨다.

이때, 상기 패드 컨디셔닝 공정은 웨이퍼(W)의 연마 공정 후 또는 연마 공정이 수행되는 동안 수행할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 리테이너 링에 내 장된 온도 측정부에서 측정된 온도를 제어부에서 기 설정된 온도와 비교하여 회전 테이블과 연결된 가열부의 온도를 조절함으로써, 화학 기계적 연마 공정을 수행하면서 공정 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 상기 공정 온도의 변화에 의해 발생될 수 있는 공정 불량을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 제어부에서 측정된 온도 및 설정된 온도 사이의 온도가 급격하게 차이나는 경우, 이를 웨이퍼 연마면의 연마 종점으로 판단하여 연마 종점 검출부에서 화학 기계적 연마 공정을 차단시켜, 웨이퍼 연마면의 과식각 등의 문제를 미연에 억제할 수 있다.

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

Claims (3)

1. 웨이퍼의 표면을 연마하기 위하여 상부면에 연마 패드(polishing pad)가 부착된 회전 테이블(turn table);

   상기 회전 테이블과 연결되어 있으며, 상기 연마 패드의 표면 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위하여 상기 회전 테이블을 가열하기 위한 가열부;

   상기 웨이퍼의 연마면이 상기 연마 패드와 마주보도록 상기 웨이퍼를 파지하고, 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼의 연마면을 상기 연마 패드와 접촉시키며 상기 웨이퍼를 회전시키기 위한 연마 헤드(polishing head);

   상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 슬러리(slurry)를 제공하기 위한 슬러리 공급부(slurry suppler);

   상기 연마 헤드의 연부를 따라 장착되고 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 상기 웨이퍼의 이탈을 방지하기 위한 리테이너 링(retainer ring); 및

   상기 연마 패드의 온도를 감지하기 위하여 상기 리테이너 링에 내장된 온도 측정부를 포함하는 화학 기계적 연마 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정부와 연결되어 있으며, 상기 감지된 온도를 설정된 온도와 비교하여 상기 가열부의 온도를 조절하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정부의 측정 결과에 기초하여 상기 웨이퍼의 연마 종점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.

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