KR20070117748A - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 화학적 기계적 연마장치를 개시한다. 그의 장치는 웨이퍼의 후면을 가압하여 회전시키는 폴리싱 헤드; 상기 폴리싱 헤드에 대향하여 상기 웨이퍼의 전면을 연마하는 연마 패드; 및 상기 폴리싱 헤드와 동일 또는 반대 방향으로 회전되면서 상기 연마 패드 상부에 위치되는 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부가 서로 동일 또는 유사하게 연마되도록 하기 위해 상기 연마 패드가 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부에 가해지는 쿠션이 서로 다르게 형성된 플레이트를 포함함에 의해 웨이퍼의 에지부에서 과도하게 연마되는 것을 방지토록 할 수 있기 때문에 생산수율을 향상시킬 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 장치{Chemical Mechanical Polishing equipment}

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 2는 도 1의 I~I' 선상을 취하여 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 4는 도 3의 Ⅱ∼Ⅱ'의 단면을 취하여 나타낸 단면도.

도 5는 도 4의 플레이트를 나타내는 평면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 화학적 기계적 연마 장치 112 : 폴리싱 헤드

114 : 연마 패드 116 : 플레이트

118 : 패드 컨디셔너 120 : 슬러리 공급부

본 발명은 반도체 제조설비에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼의 전(前)면을 평탄화하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing ; CMP)장치에 관한 것이다.

일반적으로 정보 통신 분야의 급속한 발달과, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 대중화에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 또한, 그 기능적인 면에 있어서 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구되고 있다. 이에 따라, 상기 반도체 소자의 제조 기술은 집적도, 신뢰도 및, 응답 속도 등을 극대화하는 방향으로 연구 개발되고 있다. 반도체 소자의 제조 기술은 크게 웨이퍼 상에 가공막을 형성하는 증착(deposition)공정과, 상기 증착공정으로 형성된 가공막 상에 피가공막을 형성하여 패터닝 하는 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 이루어진다.

그러나, 최근 반도체 소자의 제조 기술은 반도체 디바이스(Device)의 고밀도화, 미세화 및 배선구조의 다층화에 따라 반도체 디바이스의 표면 단차가 점차 증가되고 있는 실정이다. 이에 따라 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하기 위해 여러가지 설비들이 개발되고 있으며, 특히, 화학적 연마와 기계적 연마를 한꺼번에 수행하여 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하는 화학적 기계적 연마장치가 널리 사용되고 있다.

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 연마제를 사용하여 웨이퍼 표면을 연마하는 것이다.

이러한 화학적 기계적 연마 장치와 같은 평탄화장치는 미국특허 US5,423,716, US6,210,255, 그리고 US6,361,419 등에 개시되어 있다.

이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 I~I' 선상을 취하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 화학적 기계적 연마 장치(10)는, 웨이퍼를 소정의 압력으로 누르면서 일방향으로 회전하는 폴리싱 헤드(12)와, 상기 폴리싱 헤드(12)에 대향하여 상기 웨이퍼를 연마하는 연마 패드(14)와, 상기 연마 패드(14) 상부에 위치되는 상기 웨이퍼의 전면을 지지하면서 상기 폴리싱 헤드(12)와 동일 또는 반대방향으로 회전하는 플레이트(16)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 연마 패드(14)의 일측에서 상기 연마 패드(14)의 상태를 양호하게 유지하기 위한 패드 컨디셔너(18)와, 반응시약(예를 들어, 산화폴리싱용 탈이온수)과 마찰입자(예를 들어, 산화폴리싱용 이산화규소)와 화학 반응 촉매(예를 들어, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함하는 슬러리를 연마 패드(14)의 표면에 공급하기 위한 슬리리 공급 암(20)과, 상기 폴리싱 헤드((12) 및 플레이트(16)의 회전 을 제어하고, 상기 패드 컨디셔너(18) 및 슬리리 공급 암(20)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어부(도시하지 않음)를 더 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 폴리싱 헤드(12)는 조절 가능한 압력을 웨이퍼의 후면에 제공하여 그것을 연마 패드(14)상으로 가압한다. 도시되지는 않았지만, 상기 폴리싱 헤드(12)는 상기 웨이퍼를 외부에서 상기 플레이트(16) 상에 진공흡착하여 로딩하기 위한 진공홀과, 웨이퍼를 가압하는 멤브레인과, 웨이퍼가 공정진행 중 폴리싱 헤드(12)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 리테이너 링을 구비한다. 또한, 연마 패드(14)는 거친 폴리싱 면을 갖는 복합재료로 이루어진다.

그리고, 플레이트(16)는 모터와 같은 회전 수단에 의해 소정의 회전속도를 갖고 회전된다. 이때, 상기 모터(22)는 외부에서 공급되는 전원의 크기에 따라 회전 속도가 제어되는 회전 수단으로, 상기 모터(22)의 중심축의 회전을 감지하는 엔코더(encoder)에 의해 회전수가 감지될 수 있다. 예컨대, 상기 플레이트(16)는 상기 모터(22)에 형성된 제 1 풀리(24)에서 벨트를 통해 제 2 풀리(26)에서 상기 모터(22)의 회전동력을 전달받아 회전된다. 또한, 상기 플레이트(16)는 상기 웨이퍼에 접촉되는 상기 연마 패드(14)를 지지하며 상기 연마 패드(14)를 지지하는 쿠션 또는 압축 강도에 따라 상기 연마 패드(14)의 마찰력이 결정된다. 이때, 상기 플레이트(16)는 상기 웨이퍼 전면의 전체에 대응하여 상기 연마 패드(14)를 균일한 압착강도를 갖고 지지한다.

따라서, 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치(10)는 소정 거칠기를 갖는 연마 패드(14)에 균일한 압착강도로 지지되는 플레이트(16)를 이용하여 웨이퍼 전면을 연마토록 할 수 있다.

하지만, 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치(10)는 다음과 같은 문제점이 있었다.

종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치(10)는 웨이퍼의 전면에 접촉되는 연마 패드(14)가 동일 또는 유사한 마찰력을 갖도록 하여 웨이퍼의 중심부에 비해 웨이퍼의 에지부가 과도하게 연마되어 후속의 반도체 공정의 불량을 야기시킬 수 있기 때문에 생산수율이 떨어지는 단점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 웨이퍼의 중심부와 웨이퍼의 에지부가 동일 또는 유사하게 연마되도록 하여 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양태에 따른 화학적 기계적 연마 장치는, 웨이퍼의 후면을 가압하여 회전시키는 폴리싱 헤드; 상기 폴리싱 헤드에 대향하여 상기 웨이퍼의 전면을 연마하는 연마 패드; 및 상기 폴리싱 헤드와 동일 또는 반대 방향으로 회전되면서 상기 연마 패드 상부에 위치되는 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부가 서로 동일 또는 유사하게 연마되도록 하기 위해 상기 연마 패드가 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부에 가해지는 쿠션이 서로 다르게 형성된 플레이트를 포함함을 특징으로 한다.

여기서, 상기 플레이트는 웨이퍼의 중심부에 대응되는 연마 패드가 소정 압 착강도 이상을 지지되도록 단단한 경질부와, 상기 경질부를 둘러싸며 상기 웨이퍼의 에지부에 대응되는 연마 패드가 상기 경질부보다 낮은 압착강도를 갖도록 유연하게 형성된 연질부를 포함함이 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅱ∼Ⅱ'의 단면을 취하여 나타낸 단면도이다.

도 3 및 도 4에에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)는 , 웨이퍼의 후면을 가압하여 회전시키는 폴리싱 헤드(112)와, 상기 폴리싱 헤드(112)에 대향하여 상기 웨이퍼의 전면을 연마하는 연마 패드(114)와, 상기 폴리싱 헤드(112)와 동일 또는 반대 방향으로 회전되면서 상기 연마 패드(114) 상 부에 위치되는 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부가 서로 동일 또는 유사하게 연마되도록 하기 위해 상기 연마 패드(114)가 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부에 가해지는 쿠션이 서로 다르게 형성된 플레이트(116)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 연마 패드(114)의 일측에서 상기 연마 패드(114)의 상태를 양호하게 유지하기 위한 패드 컨디셔너(118)와, 반응시약(예를 들어, 산화폴리싱용 탈이온수)과 마찰입자(예를 들어, 산화폴리싱용 이산화규소)와 화학 반응 촉매(예를 들어, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함하는 슬러리를 연마 패드(114)의 표면에 공급하기 위한 슬리리 공급 암(120)을 더 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 폴리싱 헤드(112)는 화학적 기계적 연마 공정이 수행되는 상기 웨이퍼를 소정의 진공압으로 흡측하여 상기 연마 패드(114)의 상부로 로딩시킬 수 있다. 또한, 상기 폴리싱 헤드(112)는 화학적 기계적 연마 공정의 수행 중 상기 웨이퍼의 후면을 소정의 하중 또는 압착력으로 상기 연마 패드(114)에 밀착시킨다. 이때, 상기 폴리싱 헤드(112)에서 가해지는 하중 또는 압착력은 상기 웨이퍼의 후면 전체에서 동일 또는 유사한 밀착력으로 작용된다.

상기 연마 패드(114)는 상기 웨이퍼의 전(前)면에 접촉되어 상기 웨이퍼를 소정의 연마 속도로 연마시킬 수 있다. 이때, 상기 연마 패드(114)의 거칠기(hardness)의 정도, 상기 플레이트(116)의 회전 속도 및 상기 슬러리 공급 암(120)에서 공급되는 슬러리의 종류에 따라 상기 웨이퍼의 연마 속도가 제어되도록 설계된다. 예컨대, 상기 연마 패드(114)는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 재질의 상표명 'R200'의 경우 T1에서 T4까지의 거칠기를 갖는 4가지의 종류 균일한 성 질을 갖고 있다. 또한, 상기 연마 패드(114)는 캐리어 필름이라고도 일컬어진다. 이때, 거칠기가 서로 다른 종류가 채용되는 연마 패드(114)의 경우, 상기 웨이퍼 표면의 연마면의 특성이 나빠질 수 있기 때문에 실용성이 떨어진다. 따라서, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)는 단일 종류의 거칠기를 갖는 연마 패드(114)를 이용하여 웨이퍼 전면이 소정 연마면을 갖도록 연마토록 할 수 있다.

상기 플레이트(116)는 상기 연마 패드(114)를 지지하면서 상기 웨이퍼가 연마되도록 할 수 있다. 이때, 상기 연마 패드(114)를 지지하는 상기 플레이트(116)는 상기 웨이퍼의 중심부와 상기 웨이퍼의 에지부를 구분하여 서로 다른 쿠션을 가지고 상기 연마 패드(114)를 지지토록 형성되어 있다. 예컨대, 상기 플레이트(116)는 상기 웨이퍼의 중심부에 가해지는 쿠션에 비해 상기 웨이퍼의 에지부에 가해지는 쿠션을 작게 하여 상기 웨이퍼의의 전면이 균일하게 연마되도록 할 수 있다. 상기 쿠션(cushion)은 상기 플레이트(116)가 상기 연마 패드(114)를 상기 웨이퍼의 전면에 가압하는 가압 크기를 정의한다. 상기 웨이퍼 중심부에 대응되는 상기 연마 패드(114)에 가해지는 쿠션을 크게 하고, 상기 웨이퍼 에지부에 대응되는 상기 연마 패드(114)에 가해지는 쿠션을 작게하여 종래에 유발되는 웨이퍼 에지부의 과도한 연마를 방지토록 할 수 있다.

도 5는 도 4의 플레이트(116)를 나타내는 평면도로서, 상기 플레이트(116)는 웨이퍼의 중심부에 대응되는 연마 패드(114)가 소정 강도의 압력이상을 갖도록 단단한 경질(硬質)부(116a)와, 상기 웨이퍼의 에지부에 대응되는 연마 패드(114)가 소정 강도 압력이하를 갖도록 유연한 연질(軟質)부(116b)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 플레이트(116)는 모양에 따라 원형 또는 비원형으로 구분될 수 있으며, 상기 경질부(116a)와 연질부(116b)는 상기 플레이트(116) 전체의 모양에 따라 유사한 모양을 갖도록 설계될 수 있다. 상기 경질부(116a)는 상기 플레이트(116)의 중앙을 기준으로 대칭되는 소정 모양을 갖도록 형성된다. 예컨대, 상기 플레이트(116)의 중앙에서 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 모양을 갖도록 형성된다. 또한, 연질부(116b)는 상기 경질부(116a)를 중심에 두고 상기 경질부(116a)와 상기 플레이트(116)의 외주면사이에서 상기 연마 패드(114)를 지지하고 있다. 예컨대, 상기 연질부(116b)는 고리모양을 갖도록 형성된다.

따라서, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)는 웨이퍼 중심부에 대응되는 연마 패드(114)에 가해지는 쿠션에 비해 웨이퍼 에지부에 대응되는 연마 패드(114)에 가해지는 쿠션이 작은 플레이트(116)를 구비하여 웨이퍼의 중심부와 웨이퍼의 에지부가 동일 또는 유사하게 연마되도록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있다.

한편, 상기 플레이트(116)는 상기 폴리싱 헤드(112)에 대응하여 상기 웨이퍼를 회전시키기 위해 중심을 기준으로 소정의 회전수를 갖고 회전된다. 이때, 상기 플레이트(116)의 중심하부에는 상기 플레이트(116)를 회전시키기 위한 제 2 풀리(126)가 고정되어 있고, 상기 회전 수단에서 연결되는 벨트에 의해 회전 동력을 전달받아 회전된다. 또한, 상기 회전 수단은 상기 제어부의 제어 신호에 의해 외부로부터 인가되는 전원의 크기에 비례하는 회전수의 회전 동력을 생성하여 상기 플레이트(116)에 공급한다. 상기 회전 수단이 상기 모터(122)(로 이루어질 경우, 상 기 모터(122)의 축에 제 1 풀리(124)가 형성되고, 상기 제 1 풀리(124)와 상기 제 2 풀리(126) 사이에 벨트로 연결된다. 이때, 상기 모터(122)는 상기 전원의 인가에 따라 고속으로 회전되기 때문에 상기 제 1 풀리(124)에 비해 상기 제 2 풀리(126)를 상대적으로 반경이 크도록 하여 상기 모터(122)의 고속 회전을 감속시키고, 상기 모터(122)에 비해 상기 플레이트(116)의 회전 동력을 증가시킬 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 제어부는 상기 제어부에서 출력되는 제어 신호에 의해 제어되어 상기 모터(122)의 회전수를 감지하고, 감지 신호를 상기 제어부에 출력하는 엔코더를 이용하여 상기 회전 수단의 회전수를 모니터링함으로써, 상기 플레이트(116)가 일정한 회전수를 갖고 회전되도록 제어할 수 있다.

이때, 상기 플레이트(116)의 중심과 외주면이 이동하는 거리가 서로 다르다. 즉, 웨이퍼 중심부에 대응되는 연마 패드(114)의 각속도와, 웨이퍼 에지부에 대응되는 연마 패드(114)의 각속도는 동일 또는 유사하나, 실제 상기 웨이퍼 중심부 및 상기 연마 패드(114)가 접촉되어 이동된 거리와, 상기 웨이퍼 에지부 및 상기 연마 패드(114)가 접촉되어 이동되는 거리는 서로 다르게 나타난다. 따라서, 마찰계수가 동일한 연마 패드(114)에 대향하여 서로 다른 거리를 이동되면서 동일 또는 유사한 연마 속도를 갖도록 하기 위해서는 상기 연마 패드(114)를 상기 웨이퍼에 접촉시키는 마찰력을 서로 다르게 가져가야만 한다. 예컨대, 상기 마찰력은 두 물체의 접촉면 사이에서 물체의 운동을 방해하는 힘으로서, 물체의 무게 또는 압력에 비례하여 증가된다. 상기 플레이트(116)의 중심에 형성된 경질부(116a)는 상기 연질부(116b)에 비해 상기 연마 패드(114)를 지지하는 경도가 크다. 즉, 상기 경질부(116a)는 상기 연질부(116b)에 비해 상기 연마 패드(114)를 지지하는 압착강도가 크고, 탄성이 더 작은 재질로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치(100)는 웨이퍼 중심부에 대응되는 연마 패드(114)에 가해지는 압착강도가 크고 탄성이 작은 경질부(116a)와, 상기 경질부(116a)를 둘러싸며 웨이퍼 에지부에 대응되는 연마 패드(114)에 가해지는 압착강도가 작고 탄성이 큰 연질부(116b)로 이루어지는 플레이트(116)를 구비하여 웨이퍼의 중심부와 웨이퍼의 에지부가 동일 또는 유사하게 연마되도록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화활 수 있다.

그리고, 상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다. 예컨대, 상기 플레이트(116)의 상기 경질부(116a)와 연질부(116b)는 상기 연마 패드(114)를 상기 웨이퍼의 전면에 소정의 압착력으로 가압시키는 것으로 상기 플레이트(116) 상에 소정 탄성을 갖는 탄성체로 이루어져도 무방하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 웨이퍼 중심부에 대응되는 연마 패드에 가해지는 쿠션에 비해 웨이퍼 에지부에 대응되는 연마 패드에 가해지는 쿠션이 작 은 플레이트를 구비하여 웨이퍼의 중심부와 웨이퍼의 에지부가 동일 또는 유사하게 연마되도록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 웨이퍼의 후면을 가압하여 회전시키는 폴리싱 헤드;

   상기 폴리싱 헤드에 대향하여 상기 웨이퍼의 전면을 연마하는 연마 패드; 및

   상기 폴리싱 헤드와 동일 또는 반대 방향으로 회전되면서 상기 연마 패드 상부에 위치되는 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부가 서로 동일 또는 유사하게 연마되도록 하기 위해 상기 연마 패드가 상기 웨이퍼의 중심부 및 에지부에 가해지는 쿠션이 서로 다르게 형성된 플레이트를 포함함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마설비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플레이트는 웨이퍼의 중심부에 대응되는 연마 패드가 소정 압착강도 이상을 지지되도록 단단한 경질부와, 상기 경질부를 둘러싸며 상기 웨이퍼의 에지부에 대응되는 연마 패드가 상기 경질부보다 낮은 압착강도를 갖도록 유연하게 형성된 연질부를 포함함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 경질부는 상기 플레이트를 중심에서 대칭적으로 형성되고, 상기 연질부 는 상기 경질부의 외곽을 둘러싸며 고리 모양을 갖도록 형성함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.

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