KR20070078439A - 연마 패드 컨디셔너 및 이를 갖는 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

개선된 화학적 기계적 연마 장치에서, 연마 패드 컨디셔너는 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드의 표면 상태를 개선하기 위해 원형 패드와 접촉하며 원형 패드의 반경 방향을 따라 배치되는 커디셔닝 롤러(conditioning roller)를 갖는다. 컨디셔닝 롤러는 원형 패드의 상부에 배치되어 원형 패드의 반경 방향으로 연장되는 암(arm)에 의해 지지된다. 이와 같은 롤러 타입의 연마 패드 컨디셔너를 이용하면 커디셔닝의 효율과 패드 마모 균일도를 동시에 향상시킬 수 있다.

Description

연마 패드 컨디셔너 및 이를 갖는 화학적 기계적 연마 장치{Polishing pad conditioner and chemical and mechanical polishing apparatus having the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 정면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 반도체 기판 100 : 화학적 기계적 연마 장치

110 : 회전 테이블 112 : 원형 연마 패드

120 : 연마 헤드 130 : 슬러리 공급부

140 : 연마 패드 컨디셔너 142 : 컨디셔닝 롤러

144 : 암 146 : 롤러 홀더

148 : 순수 공급부 149 : 노즐

150 : 구동축 152 : 제1 구동부

본 발명은 연마 패드 컨디셔너 및 이를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하기 위한 장치의 연마 패드 컨디셔너에 관한 것이다.

최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 용구를 충족시키기 위하여 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 막 형성, 포토리소그래피, 식각, 이온 주입 및 연마 공정 등과 같은 단위 공정들의 수행에 의해 제조된다. 상기 단위 공정들 중에서 연마 공정은 반도체 장치의 집적도를 향상시키고, 반도체 장치의 구조적, 전기적 신뢰도를 향상시기 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 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) 등을 구비한다. 또한, 화학적 기계적 연마 공정의 연마 종료 시점을 결정하기 위한 연마 종점 검출 장치를 구비한다.

상기 슬러리는 피가공물인 반도체 기판의 표면으로부터 또는 표면으로 연마 입자와 화학물질을 전달하는 매개체라고 할 수 있다. 상기 슬러리를 사용하는 화학 적 기계적 연마 공정에서는 연마 속도가 중요한 변수이며, 상기 연마 속도는 사용되는 슬러리에 의해 좌우된다. 슬러리에 내부에 포함되는 연마 입자는 일반적으로 10Å 내지 1000Å의 크기를 가지며, 경도는 반도체 기판과 비슷한 경도를 가지는 것으로 기계적인 연마 작용을 행한다.

회전 테이블 상에 부착된 연마 패드의 표면에는 상기 슬러리의 유동을 위한 다수의 그루브(groove)가 동심원 상으로 형성되어 있고, 상기 슬러리를 수용하기 위한 미공들이 형성되어 있다. 상기 연마 패드는 크게 연질 패드와 경질 패드로 나누어질 수 있다. 연질 패드는 우레탄이 함유된 펠트 패드이고, 경질 패드는 다공성의 우레탄 패드이다.

상기와 같은 연마 패드와 슬러리를 이용하여 반도체 기판의 표면을 화학적 기계적으로 연마하는 경우, 연마 도중에 발생하는 연마 부산물에 의해 연마 패드의 미공들이 막히는 현상이 발생한다. 따라서, 상기 연마 부산물에 의해 막힌 연마 패드의 미공들을 재생시키기 위한 패드 컨디셔닝(conditioning) 공정이 반도체 기판의 연마 공정 후 또는 연마 공정과 동시에 수행된다.

상기 패드 컨디셔닝 공정을 수행하는 연마 패드 컨디셔너에 대한 일 예로서, 난다(Nanda) 등에 허여된 미합중국 특허 제6,325,709호에는 연마 패드와 접촉되며, 니켈 도금에 의해 다이아몬드 입자들에 의해 커버되는 돌출된 하부면을 갖는 연마 패드 컨디셔너가 개시되어 있다. 또한, 스크로반(Skrovan)에 허여된 미합중국 특허 제6,361,413호에는 금속 플레이트와, 상기 금속 플레이트의 하부면에 형성된 니켈층과, 상기 니켈층에 박힌 다수의 다이아몬드 파티클들을 포함하는 연마 패드 컨디 셔너가 개시되어 있다.

상기 패드 컨디셔닝 공정을 수행하기 위한 연마 패드 컨디셔너는 컨디셔닝 디스크의 하부면에 부착된 다이아몬드 입자들을 포함한다. 상기 패드 컨디셔너는 연마 패드가 회전하는 동안 상기 연마 패드에 밀착되어 연마 패드를 가로질러 이동하며, 연마 패드의 표면 상태를 개선시키기 위해 회전한다.

최근, 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼의 크기가 증가됨에 따라(예를 들면, 12인치 웨이퍼), 상기 컨디셔닝 디스크의 크기도 함께 증가되고 있다. 그러나, 상기 컨디셔닝 디스크의 크기가 증가할수록 커니셔닝의 효율은 증가하지만, 패드 마모 균일도(pad wearing uniformity)는 저하되는 문제점이 있다. 이와 반대로, 상기 컨디셔닝 디스크의 크기가 감소할수록 패드 마모 균일도는 향상되지만, 컨디셔닝의 효율이 감소되는 문제점이 있다. 따라서, 보다 개선된 연마 패드 컨디셔너가 요구되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은 연마 패드 커디셔닝의 효율과 패드 마모 균일도를 모두 향상시킬 수 있는 연마 패드 컨디셔너를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 상술한 바와 같은 연마 패드 컨디셔너를 갖는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는데 있다.

상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연마 패드 컨디셔 너는, 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드의 표면 상태를 개선하기 위해 상기 원형 패드와 접촉하며 상기 원형 패드의 반경 방향을 따라 배치된 커디셔닝 롤러(conditioning roller)와, 상기 원형 패드의 상부에 배치되어 상기 원형 패드의 반경 방향으로 연장되며 상기 컨디셔닝 롤러를 지지하기 위한 암(arm)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 컨디셔닝 롤러는 상기 암의 양단에 구비되는 롤러 홀더에 의해 파지되며, 상기 롤러 홀더는 상기 컨디셔닝 롤러 내부에 구비된 구동축과 연결된다. 상기 구동축에는 상기 컨디셔닝 롤러를 회전시키기 위한 구동부와 연결된다.

또한, 상기 암과 상기 컨디셔닝 롤러 사이에는 상기 컨디셔닝 롤러에 순수를 공급하기 위한 순수 공급부가 구비된다. 이 때, 상기 순수 공급부는 상기 컨디셔닝 롤러에 순수를 공급하기 위한 다수의 노즐들을 포함할 수 있다.

상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치는, 회전 테이블, 연마 헤드, 슬러리 공급부 및 연마 패드 컨디셔너를 포함한다.

상기 회전 테이블 상에는 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드가 부착되어 있으며, 상기 연마 헤드는 상기 기판의 피연마면이 상기 원형 패드와 마주보도록 상기 기판을 파지하고, 상기 기판을 연마하는 동안 상기 기판의 피연마면을 상기 원형 패드와 접촉시킨다. 상기 슬러리 공급부는 상기 기판을 연마하는 동안 상기 기판과 상기 원형 패드 사이에 슬러리를 공급한다.

상기 연마 패드 컨디셔너는, 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드의 표면 상태를 개선하기 위해 상기 원형 패드와 접촉하며 상기 원형 패드의 반경 방향을 따라 배치된 커디셔닝 롤러(conditioning roller)와, 상기 원형 패드의 상부에 배치되어 상기 원형 패드의 반경 방향으로 연장되며 상기 컨디셔닝 롤러를 지지하기 위한 암(arm)을 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 상기 컨디셔닝 롤러는 상기 원형 패드가 회전하는 동안, 상기 원형 패드의 반경 방향으로 배치되어 상기 원형 패드의 표면과 접촉되므로 연마 패드 컨디셔닝 효율과 패드 마모 균일도를 모두 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나, 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치들의 두께 또는 크기는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연마 패드 컨디셔너의 컨디셔닝 롤러를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)는, 화전 테이블(110), 연마 헤드(120), 슬러리 공급부(130) 및 연마 패드 컨 디셔너(140)를 포함한다.

상기 회전 테이블(110)은 디스크 형상을 가지며, 상기 회전 테이블(110)의 상부면에는 원형 연마 패드(112)가 접착제에 의해 부착되어 있다. 상기 회전 테이블(110)의 하부면에는 상기 회전 테이블(110)을 회전시키기 위한 구동 장치(미도시)가 연결되어 있다. 자세히 도시되지는 않았으나, 상기 연마 패드(112)의 표면에는 상기 슬러리 공급부(130)로부터 공급된 슬러리의 유동을 위한 다수의 그루브들이 동심원 상으로 형성되어 있고, 상기 슬러리를 수용하기 위한 미공들이 형성되어 있다.

상기 연마 헤드(120)는 반도체 기판(10)으로 사용되는 실리콘웨이퍼의 피연마면을 상기 연마 패드(112)와 마주하도록 진공압력을 이용하여 파지하고, 상기 반도체 기판(10)의 피연마면을 연마하기 위해 상기 반도체 기판(10)을 상기 연마 패드(112)의 표면에 접촉시킨다. 또한, 반도체 기판(10)의 연마 효율을 향상시키기 위해 상기 반도체 기판(10)이 연마 패드(112)의 표면에 접촉되어 있는 동안 상기 반도체 기판(10)을 회전시킨다.

상기 슬러리 공급부(130)는 상기 반도체 기판(10)을 연마하는 동안 상기 반도체 기판(10)과 연마 패드(112) 사이에 슬러리를 공급한다. 구체적으로, 슬러리 공급부(130)는 연마 패드(112) 상으로 슬러리를 공급하며, 상기 연마 패드(112) 상으로 공급된 슬러리는 연마 패드(112)의 미공들에 수용되며, 연마 패드(112)의 회전에 의해 상기 반도체 기판(10)과 연마 패드(112) 사이로 공급된다. 상기 슬러리 공급부(130)는 상기 연마 패드(112)의 회전 방향에 대하여 상기 연마 헤드(112)의 전방 부위의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 연마 패드 컨디셔너(140)는 상기 연마 패드(112)의 표면 상태를 개선하기 컨디셔닝 롤러(142)와, 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 상기 원형 연마 패드(112)의 반경 방향으로 배치되도록 상기 컨디셔닝 롤러(142)를 지지하기 위한 암(144)을 포함한다. 즉, 상기 컨디셔닝 롤러(142)는 상기 암(144)의 하부에 연결되며, 상기 암(144)은 상기 연마 패드(112)의 상부에 배치되어 상기 연마 패드(112)의 반경 방향 외측으로 연장된다.

상기 컨디셔닝 롤러(142)는 상기 연마 패드(112)에 대한 컨디셔닝 공정을 수행하는 동안 상기 암(144)의 압력에 의해 상기 연마 패드(112)의 표면과 접촉되며, 상기 연마 패드(112)의 표면을 미세하게 절삭함으로써 상기 연마 패드(112)의 표면 상태를 개선한다. 이때, 상기 컨디셔닝 롤러(142)는 상기 연마 패드(112)의 반경 방향으로 연장되어 있으므로 상기 암(144)으로부터 인가되는 압력을 상기 연마 패드(112)의 일측 반경 상에 균일하게 제공할 수 있다.

일 예로, 상기 컨디셔닝 롤러(142)는 상기 암(144)의 양단으로부터 하방으로 연장되는 롤러 홀더들(146)에 의해 파지되고, 상기 롤러 홀더(146)들 사이에는 상기 컨디셔닝 롤러(142)의 중심축을 관통하는 구동축(150)이 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 컨디셔닝 롤러(142)의 내부에는 상기 롤러의 연장 방향을 따라 구동축(150)이 구비되고, 상기 구동축(150)의 양단과 상기 암(144)의 양단은 상기 롤러 홀더(146)들에 의해 각각 연결된다.

또한, 상기 구동축(150)은 상기 컨디셔닝 롤러(142)를 회전시키기 위한 구동 부(152)와 연결될 수 있다. 상기 구동부(152)에 의해 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 회전하면서 상기 연마 패드(112)에 가해지는 마찰력을 적절하게 조절할 수 있다. 자세하게 도시되지는 않았으나, 상기 구동부(152)는 구동 모터를 포함하며, 상기 암(144) 내부에 설치될 수 있다. 또한, 상기 컨디셔닝 롤러(142)의 표면에는 다이아몬드 입자들(미도시)이 접착제 또는 전기 도금 방법에 의해 부착되어 있으며, 상기 다이아몬드 입자들은 컨디셔닝 롤러(142)의 회전 운동에 의해 상기 연마 패드(112)의 표면을 미세하게 절삭한다.

한편, 상기 암(144)과 상기 컨디셔닝 롤러(142) 사이에는 상기 컨디셔닝 롤러(142) 상으로 순수를 공급하기 위한 순수 공급부(148)가 구비될 수 있다. 상기 순수 공급부(148)는 상기 순수를 공급하기 위한 다수의 노즐들(149)을 포함하며, 상기 노즐들(149)은 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 마르지 않도록 그 표면 부위에 순수를 골고루 공급한다. 상기 순수에 의해 슬러리의 농도가 희석될 수 있으므로, 상기 순수 공급부(148)에 의한 순수 공급은 상기 연마 패드 컨디셔닝 공정의 이전 또는 이후, 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 대기 상태(미도시)에 위치하고 있을 때 작동하는 것이 바람직하다.

상기 암(144)은 제2 구동부(미도시)와 연결되며, 상기 제2 구동부는 상기 암(144)을 상기 연마 패드(112)의 반경 방향으로 수평 왕복 운동시키고, 상기 반경 방향에 대하여 수직하는 수평 방향으로 상기 암(144)을 이동시킨다. 상기 암(144)은 상기 연마 패드(112)의 중심과 인접하는 자유단과 상기 제2 구동부와 연결되는 고정단을 가질 수 있다.

상기 제2 구동부는 상기 연마 패드(112)가 회전하는 동안 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 상기 연마 패드(112)를 전체적으로 균일하게 컨디셔닝하도록 상기 암(144)을 상기 연마 패드(112)의 반경 방향으로 수평 왕복 운동시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 구동부는 상기 컨디셔닝 롤러(142)를 세정하기 위하여 또는 상기 연마 패드(112)를 교체하기 위하여 상기 암(144)이 상기 연마 패드(112)의 일측 부위에 배치되도록 상기 암(144)을 상기 반경 방향에 수직하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 구동부는 직교 좌표 로봇을 포함한다.

그러나, 상기 본 발명은 상기 직교 좌표 로봇에 한정되지 않으며, 본 기술의 분야에서 숙련된 당업자는 상기와 같은 제2 구동부를 다양하게 변경할 수 있을 것이다. 일 예로써, 스카라(scalar) 방식의 로봇이 상기 제2 구동부로 채용될 수 있을 것이다. 상기 스카라 방식의 로봇은 상기 암(144)을 상기 연마 패드(112)의 반경 방향으로 수평 왕복 운동시키기며, 상기 스카라 방식 로봇과 연결된 상기 암(144)의 고정단을 중심으로 상기 암(144)을 회전시킬 수 있다.

한편, 상기 연마 패드(112)에 대한 컨디셔닝 공정은 상기 반도체 기판(10)에 대한 화학적 기계적 연마 공정과 동시에 수행될 수도 있고, 상기 반도체 기판(10)에 대한 화학적 기계적 연마 공정 후에 독립적으로 수행될 수도 있다.

도 1에 도시된 화살표들은 회전 테이블(110)의 회전 방향, 연마 헤드(120)의 회전 방향, 컨디셔닝 롤러(142) 및 암(144)의 이동 방향들을 각각 나타낸다.

한편, 도시되지는 않았으나 상기 화학적 기계적 연마 장치(100)는 상기 컨디셔닝 롤러(142)의 높이를 각각 조절하기 위한 제어부(미도시)를 가질 수 있다. 상 기 제어부는 상기 컨디셔닝 롤러(142)와 상기 연마 패드(112) 사이의 간격들을 조절하기 위해 상기 암(144)에 내장된 에어 블래더(미도시)의 내부 압력들을 조절한다. 상기 에어 블래더의 내부 압력의 변화는 상기 에어 블레더의 체적을 변화시키고, 이에 따라 상기 컨디셔닝 롤러(142)와 상기 연마 패드(112) 사이의 간격들이 조절될 수 있다. 상기 제어부는 상기 에어 블래더의 내부 압력을 조절하기 위해 상기 에어 블래더 내부로 압축 공기를 공급하는 압축 공기 공급부(미도시)의 동작을 제어한다. 상기 압축 공기 공급부는 압축 공기 탱크와, 상기 압축 공기 탱크와 상기 에어 블래더를 연결하는 공압 라인들과 상기 에어 블래더의 내부 압력을 조절하기 위한 압력 제어 밸브들을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 제1 구동부(152) 및 상기 제2 구동부의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 제1 구동부(152)의 동작을 제어함으로서 상기 컨디셔닝 롤러(142)의 회전 속도를 제어할 수 있으며, 상기 제2 구동부의 동작을 제어하여 상기 컨디셔닝 롤러(142)가 상기 연마 패드(112)의 반경 방향으로 수평 왕복 운동할 수 있도록 한다. 따라서, 연마 패드(112)가 균일하게 마모될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 상기 컨디셔닝 롤러는 연마 패드의 반경 방향으로 연장되도록 배치되며, 상기 연마 패드가 회전하는 동안 상기 연마 패드의 표면과 접촉되고 상기 제1 구동부에 의해 회전 운동한다. 이로써, 연마 패드의 마모 균일도가 향상될 수 있으며, 연마 패드의 컨디셔닝 효율이 향상될 수 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.

Claims (4)

1. 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드의 표면 상태를 개선하기 위해 상기 원형 패드와 접촉하며, 상기 원형 패드의 반경 방향을 따라 배치된 커디셔닝 롤러(conditioning roller); 및

   상기 원형 패드의 상부에 배치되어 상기 원형 패드의 반경 방향으로 연장되며, 상기 컨디셔닝 롤러를 지지하기 위한 암(arm)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 컨디셔너.
2. 제1항에 있어서,

   상기 암의 양단에 구비되고 상기 컨디셔닝 롤러를 파지하기 위한 롤러 홀더;

   상기 롤러 홀더와 연결되고, 상기 컨디셔닝 롤러 내부에 구비되는 구동축; 및

   상기 구동축과 연결되어 상기 컨디셔닝 롤러를 회전시키기 위한 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 컨디셔너.
3. 제1항에 있어서, 상기 암과 상기 컨디셔닝 롤러 사이에 배치되며, 상기 컨디셔닝 롤러에 순수를 공급하기 위한 순수 공급부를 더 포함하되,

   상기 순수 공급부는 상기 컨디셔닝 롤러에 순수를 공급하기 위한 다수의 노즐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 컨디셔너.
4. 기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드가 부착된 회전 테이블;

   상기 기판의 피연마면이 상기 원형 패드와 마주보도록 상기 기판을 파지하고, 상기 기판을 연마하는 동안 상기 기판의 피연마면을 상기 원형 패드와 접촉시키고, 상기 기판을 회전시키기 위한 연마 헤드;

   상기 기판을 연마하는 동안 상기 기판과 상기 원형 패드 사이에 슬러리를 제공하기 위한 슬러리 공급부; 및

   기판의 표면을 연마하기 위한 원형 패드의 표면 상태를 개선하기 위해 상기 원형 패드와 접촉하며 상기 원형 패드의 반경 방향을 따라 배치된 커디셔닝 롤러와, 상기 원형 패드의 상부에 배치되어 상기 원형 패드의 반경 방향으로 연장되며 상기 컨디셔닝 롤러를 지지하기 위한 암을 갖는 연마 패드 컨디셔너를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.

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