KR20080035164A

KR20080035164A - 화학적 기계적 폴리싱 장치

Info

Publication number: KR20080035164A
Application number: KR1020060101464A
Authority: KR
Inventors: 윤현주; 최윤성; 박석준; 고영관
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-23

Abstract

화학적 기계적 폴리싱 장치가 제공된다. 상기 화학적 기계적 폴리싱 장치는 그 하측단에 웨이퍼가 흡착되는 연마헤드, 상기 연마헤드의 하단부에 마련되며 상기 웨이퍼와 면접촉하는 멤브레인, 상기 웨이퍼가 놓이는 페데스탈을 구비한 전달컵, 및상기 연마헤드의 외주면에 장착되어 상기 멤브레인 및 상기 웨이퍼 사이에 유체를 공급하는 노즐을 포함한다. 그리고 상기 노즐은 상기 웨이퍼에 대한 연마공정이 끝난후 상기 웨이퍼가 상기 페데스탈 상면으로 언로딩되는 과정에서 상기 멤브레인 및 상기 웨이퍼 사이에 상기 유체를 공급한다.

상기 화학적 기계적 폴리싱 장치는 언로딩이 불안전함으로 인해서 발생하는 웨이퍼의 파손이나 이송 불량 등을 미연에 방지할 수 있다.

Description

화학적 기계적 폴리싱 장치{chemical mechanical polishing apparatus}

도 1은 본 발명에 따른 화학적 기계적 폴리싱 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 2는 웨이퍼에 대한 연마가 완료된 후 연마헤드와 전달컵이 상하로 정렬된 경우를 보여주는 구성도이다.

도 3은 페데스탈이 상승한 후 멤브레인과 웨이퍼 사이로 유체를 분사하는 모습을 보이는 구성도이다.

도 4는 페데스탈에 웨이퍼가 제대로 안착이 안된 경우를 도시한 구성도이다.

도 5는 연마헤드의 멤브레인으로부터 페데스탈로의 웨이퍼 언로딩 과정에 대한 설명을 위한 순서도이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100 : 화학적 기계적 폴리싱 장치

120 : 연마헤드

126 : 멤브레인

132 : 연마패드

140 : 전달컵

142 : 페데스탈

145 : 센서

150 : 노즐

본 발명은 반도체 웨이퍼를 가공하는 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적, 기계적으로 연마하는 장치에 관한 것이다.

최근 반도체소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마 공정들이 필수적으로 포함된다. 상기 연마공정들 중 웨이퍼를 화학적 기계적인 연마를 동시에 실시하여 웨이퍼의 공정면을 평탄화하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)장치가 널리 사용되고 있다.

상기한 CMP 공정은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 공정으로서, 기계적 연마는 연마헤드에 고정된 웨이퍼를 회전하는 연마패드에 가압시킨 상태에서 회전시킴으로써 연마패드와 웨이퍼 표면간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이고, 화학적 연마는 연마패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제로서의 슬러리에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.

이 공정에 의하면, 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도(planarity)를 얻을 수 있으므로, 상기한 CMP 공정은 웨이퍼가 대구경화되어 가는 추세에 특히 적합하다.

상기한 CMP 공정을 수행하는 CMP 장치는 다수의 연마패드를 구비하는 베이스 스테이션, 상기 베이스 스테이션에 설치되는 다수개의 연마패드들과, 상기 베이스 스테이션에 설치되어 웨이퍼를 로딩/언로딩하는 전달컵과, 웨이퍼를 진공흡착하여 상기 연마 패드들의 상면에 밀착 회전시키는 다수개의 연마 헤드들을 포함한다. 상기 연마헤드에는 웨이퍼를 진공 흡착할 수 있도록 진공홀이 형성된 멤브레인이 그 하단부에 설치된다.

그런데, 상기 연마헤드가 웨이퍼를 흡착하여 연마패드와의 마찰에 의해서 연마공정을 수행한 후 전달컵으로 이동하여 상기 웨이퍼를 상기 전달컵에 구비된 페데스탈 상에 언로딩하는 과정에서 웨이퍼를 상기 전달컵에 정확히 안착시키지 못하는 에러가 발생할 수 있다.

상기 언로딩 과정을 보면, 연마헤드가 전달컵의 상부에 위치한 후에 상기 전달컵의 페데스탈이 상승하게 된다. 그 다음으로 상기 멤브레인을 통한 진공가압력이 해제되면 상기 멤브레인에 흡착되어 있던 웨이퍼가 자체 하중에 의해서 페데스탈 상으로 떨어지게 된다. 또한 상기 멤브레인 상에 형성된 홀을 통해 별도로 비활성가스등을 상기 웨이퍼로 불어내어 언로딩을 원활하게 할 수 있다.

웨이퍼 언로딩 에러는 상기 멤브레인의 블로잉 단계, 즉 진공가압력을 해제하고 비활성가스 등을 멤브레인 홀을 통해 분사하는 단계에서 웨이퍼가 멤브레인으로부터 완전히 떨어지지 않은 상태(웨이퍼의 가장자리부분은 멤브레인으로부터 떨어지지만, 웨이퍼의 센터부분은 멤브레인에 달라붙어 있음)에서 멤브레인의 수축이 진행되면, 웨이퍼가 상기 멤브레인에 딸려 올라감으로써 발생된다. 특히, 웨이퍼 표면이 소수성(Hydrophobic)일 경우에는 웨이퍼와 멤브레인과의 접촉면의 표면 장력으로 인하여 웨이퍼 언로딩 에러가 발생할 수 있다.

상기에서처럼, 웨이퍼가 상기 연마헤드의 멤브레인으로부터 불균일하게 떨어지는 경우에는 상기 전달컵 상의 페데스탈에 정확한 안착이 불가능하게 된다. 따라서, 연마가 완료된 웨이퍼를 향후 다른 공정으로 이송하는 과정에서 이송 에러가 발생할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 일부가 연마헤드에 흡착되어 있는 상태에서 상기 연마헤드가 움직이게 되면 웨이퍼가 바닥면에 낙하하게 됨으로써 웨이퍼의 파손을 일으키게 된다.

한편, 웨이퍼와 멤브레인의 재질이 각각 실리콘 결정체와 고무재질로 이루어져 있어서 국부적으로 건조한 상태로 유지될 수 있으므로, 이러한 상태도 웨이퍼의 언로딩에 불리한 영향을 끼칠 수 있다.

상기한 웨이퍼의 언로딩시에 발생하는 에러 원인으로는 연마헤드의 조립 불량 및 로딩 포지션 불량 등의 기타 여러가지 다른 이유들도 있지만, 이러한 에러 발생 원인들보다는 전술한 바와 같이 연마헤드의 멤브레인과 웨이퍼의 접촉 상태로 인해 인해 발생되는 언로딩 에러가 대부분을 차지하게 된다.

이상에서와 같이, 웨이퍼의 언로딩 과정에서 정확한 웨이퍼의 분리가 수행되지 않으면 웨이퍼의 공정 진행상에 많은 문제를 일으키게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연마헤드의 웨이퍼 흡착면으로부터 전달컵으로 웨이퍼의 언로딩시에 웨이퍼의 분리를 용이하게 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 기술적 과제를 구현하기 위한 본 발명에 의하면, 화학적 기계적 폴리싱 장치가 제공된다. 상기 화학적 기계적 폴리싱 장치는 그 하측단에 웨이퍼가 흡착되는 연마헤드, 상기 연마헤드의 하부에 마련되며 상기 웨이퍼와 면접촉하는 멤브레인, 연마공정 진행 전후로 상기 웨이퍼가 놓이는 페데스탈을 구비한 전달컵, 및상기 연마헤드의 외주면에 장착되어 상기 멤브레인 및 상기 웨이퍼 사이에 유체를 공급하는 노즐을 포함한다. 그리고 상기 노즐은 상기 웨이퍼에 대한 연마공정이 끝난후 상기 웨이퍼가 상기 페데스탈 상면으로 언로딩되는 과정에서 상기 멤브레인 및 상기 웨이퍼 사이에 상기 유체를 공급한다.

바람직하게, 상기 화학적 기계적 폴리싱 장치는 상기 페데스탈의 상면에 삽입장착되는 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 상기 페데스탈에 상기 웨이퍼가 제대로 안착되었는지 여부를 감지하게 된다.

그리고, 상기 화학적 기계적 폴리싱 장치는 상기 센서 및 상기 전달컵에 전기적으로 연결된 제어부를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 웨이퍼가 상기 페데스탈에 정확히 안착이 안된 경우에 상기 페데스탈의 구동을 정지하도록 제어한다.

상기 노즐에서 분사되는 상기 유체는 초순수(deionized water) 또는 비활성가스일 수 있다.

상기 센서는 광센서일 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 화학적 기계적 폴리싱 장치의 구성을 나타낸 개략도이다. 먼저 도 1을 참조하여, 화학적 기계적 폴리싱 장치(100)의 일반적 구성을 살핀다.

본 발명에 따른 화학적 기계적 폴리싱 장치(100,chemical mechanical polishing apparatus)는 연마 스테이션(130)과 연마헤드 어셈블리(110)로 이루어진다. 상기 연마 스테이션(130)은 연마패드(132)가 부착되어진 회전 가능한 턴테이블(134)들과 전달컵(140)를 구비한다. 상기 턴테이블(134)은 구동수단(미도시됨)에 연결되어지며, 상기 구동수단은 상기 턴테이블(134)을 가장 양호한 회전수로 회전시킨다. 상기 연마패드(132)는 거친 폴리싱 면을 갖는 복합재료일 수 있다.

상기 연마 스테이션(130)은 슬러리를 연마패드(132)의 표면에 공급하기 위한 슬러리 공급 수단(미도시됨)을 포함할 수 있다.

상기 폴리싱 헤드 어셈블리(110)는 복수의 연마헤드(120)를 갖는다. 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(110)는 상기 전달컵(140)의 구성요소를 보여주기 위해 일부 파단되었다. 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(110)는 상기 연마헤드(120) 중 어느 하나가 턴 테이블(134) 또는 전달컵(140)에 위치할 수 있도록 중심축(112)에 대해 회전될 수 있다. 웨이퍼에 대해 연마가 실제 진행되는 경우에 상기 연마헤드(120)는 연마패드(132)에 수직 방향으로 대향되도록 배치되고 웨이퍼의 하면으로 하향 압력을 균일하게 분포시킨다. 상기 연마헤드(120)의 하단에 흡착된 웨이퍼는 상기 연마패드(132)의 회전운동에 의해 웨이퍼의 하면이 미세하게 연삭(grinding)됨으로써 연마가 진행된다. 이 경우 상기 연마헤드(120)는 상기 연마패드(132)의 회전 방향과 반대방향으로 회전함으로써 연삭능력이 증대될 수 있다.

도 2는 웨이퍼의 연마가 완료된 후 연마헤드가 전달컵과 위치정렬된 모습을 보여주는 구성도이다. 도 3은 페데스탈이 상승한 후 멤브레인과 웨이퍼 사이로 유체를 분사하는 모습을 보이는 구성도이다. 도 4는 언로딩이 비정상인 경우 센서 및 제어부의 작동을 설명하기 위한 구성도이다.

이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 CMP 장치의 구체적인 구성요소에 대해 살핀다.

상기 연마헤드(120)는 구동축(121), 상기 구동축(121)에 연결된 본체(122), 상기 본체(122)의 하단부 내측에 설치된 멤브레인(126), 상기 본체(122)에 상기 멤브레인(126)을 고정시키는 고정링(리테이너링,128), 및 상기 본체(122)의 외주면에 고정장착되는 노즐(150)을 구비한다.

상기 멤브레인(126)은 원판의 고무재질로 형성되며 그 내부를 관통하는 다 수의 홀(126a)이 형성된다. 상기 홀(126a)을 통하여 웨이퍼(W)를 흡착할 수 있는 진공압력이 상부 수직 방향(127)으로 가해질 수 있다. 상기 진공압력은 미도시된 별도의 진공 라인에 의해 가해질 수 있다.

상기 노즐(150)은 고정부(152), 유로관(154), 및 분사부(156)로 구성되며, 상기 본체(122)의 외주면 하부를 둘러싸도록 복수개가 배치될 수 있다. 상기 노즐(150)에서의 분사는 구동축(121) 및 본체(122) 내부에 형성된 홀(미도시)을 통해서 상기 노즐(150)에 유체를 공급함으로써 가능하다. 상기 유체는 유로관(154) 및 분사부(156)를 통해 유로 면적이 줄어듦으로써 강한 압력으로 분사될 수 있다.

상기 전달컵(140)은 컵본체(148), 상기 컵본체(148) 내부에서 상하 이동하는 페데스탈(pedestal,142), 상기 페데스탈(142)의 하부에 연결고정되는 연결바(144), 상기 연결바(144)에 연결되어 상기 페데스탈의 상하 이동을 가능하게 하는 구동부(146), 및 상기 페데스탈(142)의 상면에 삽입장착되는 센서(145)를 구비한다.

상기 페데스탈(142)은 단차진 원판 형상으로 형성되며, 상기 센서는 상단면(142a)에 삽입되어 상기 상단면(142a) 상부로 돌출되지 않도록 한다. 상기 페데스탈(142)은 그 내부를 통해 진공압을 가할 수 있는 진공유로가 형성되어 웨이퍼(W)를 그 상면에 흡착고정시킬 수 있다.

상기 센서(145)는 광센서일 수 있다. 이경우, 상기 센서(145)는 그 내부에 구비된 발광 다이오드를 통해서 자외선 등과 같은 광을 조사하게 된다. 상기 센서(145)는 출력부(미도시) 및 수신부(미도시)로 나눌수 있는데 상기 출력부에서 조 사된 광이 상면에 위치한 웨이퍼(W) 하면에 반사되어 상기 수신부로 입사되면 물체를 인식하게 된다. 상기 센서(145)는 복수개가 설치되는데 복수개의 센서 중 어느 하나라도 물체를 인식하지 못하면 웨이퍼(W)의 페데스탈(142)로부터의 이탈을 의미한다.

상기 구동부(146)에는 제어부(160)가 전기적으로 연결된다. 상기 제어부(160)는 구동부(146), 연결바(144), 및 페데스탈(142)을 통해 상기 센서(145)에 전기적으로 연결된다.

다음으로, 도 1과 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 멤브레인(126)으로부터 상기 페데스탈(142)로의 언로딩 과정에 대해서 설명한다.

전체적으로, 상기 연마패드(132) 및 상기 연마헤드(120)와의 밀착으로 웨이퍼(W)의 연마가 완료되면 상기 연마헤드(120)는 상기 연마헤드 어셈블리(110)의 회전에 의해서 상기 전달컵(140)의 상부에 위치하게 된다. 이후, 상기 연마헤드(120)로부터 상기 전달컵(140)으로 웨이퍼(W)를 언로딩하게 된다.

세부적으로 먼저, 웨이퍼(W)에 대한 연마공정이 진행된 후(S10), 연마헤드(120)는 전달컵(140)의 상부에 얼라인된다(S20). 상기의 얼라인 과정은 연마헤드 어셈블리(110)에 미리 설정된 회전값에 의해 회전함으로써 가능하다. 더불어, 상기 연마스테이션(130)과 회전축(112)이 접하는 부위에 별도의 센서를 설치해서 실시 가능하다.

이후, 전달컵(140)의 페데스탈(142)이 구동부(146)에 의해 상승함으로써 상기 페데스탈(142)의 상면이 웨이퍼(W)의 하면에 밀착하게 된다(S30). 그다음으로 멤브레인(126)을 통해 가압되는 진공압이 해제되고(S40), 상기 연마헤드(120)에 설치된 노즐(150)을 통해 상기 멤브레인(126)과 상기 웨이퍼(W) 사이로 초순수(deionized water) 또는 비활성가스가 분사된다(S50). 이후로는 상기 페데스탈(142)이 하강함으로써 웨이퍼(W)의 언로딩 공정이 완료된다(S60).

다만, 상기 노즐(150)을 통한 분사에도 불구하고 상기 웨이퍼(W)가 제대로 언로딩이 안될 수 있는데, 상기 센서(145)는 상기 페데스탈(142)에 정확히 안착되었는지 여부를 감지할 수 있게 한다. 도 4는 언로딩이 제대로 안되어 페데스탈(142)의 상면에 웨이퍼가 정확히 안착이 안된 경우를 도시한 경우인데, 상기의 경우에 상기 센서(145)에 전기적으로 연결된 제어부(160)에 센서(145)에서 감지된 신호를 보내고, 상기 제어부(160)에서 상기 웨이퍼(W)가 이탈되었다고 판단되는 경우 구동부(146)를 통해 상기 페데스탈(142)의 이동을 정지하게 한다.

이상, 본 발명은 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구의 범위와 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명인 화학적 기계적 폴리싱 장치에 따르면, 연마헤드의 멤브레인으로부터 전달컵의 페데스탈로 웨이퍼를 언로딩하는 과정에서 웨이퍼의 미분리로 인한 웨이퍼의 파손을 방지할 수 있다. 결국, 연마 공정에서의 공정 지연을 방지할 수 있으므로 반도체 웨이퍼 생산의 공정 효율성을 높이게 된다.

Claims

그 하측단에 웨이퍼가 흡착되는 연마헤드;

상기 연마헤드의 하단부에 마련되며 상기 웨이퍼와 면접촉하는 멤브레인;

상기 웨이퍼가 놓이는 페데스탈을 구비한 전달컵; 및

상기 연마헤드의 외주면에 장착되어 상기 멤브레인 및 상기 웨이퍼 사이에 유체를 공급하는 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 상기 웨이퍼를 상기 페데스탈 상면으로 언로딩시키는 과정에서 상기 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치.
제 1항에 있어서,

상기 페데스탈의 상면에 삽입장착되는 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 상기 페데스탈에 상기 웨이퍼가 제대로 안착되었는지 여부를 감지하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치.
제 2항에 있어서,

상기 웨이퍼가 상기 페데스탈의 상면으로부터 이탈된 경우에, 상기 센서 및 상기 전달컵에 전기적으로 연결된 제어부가 상기 페데스탈의 구동을 정지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치.
제 1항에 있어서,

상기 노즐에서 분사되는 상기 유체는 초순수(deionized water) 또는 비활성가스인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치.
제 2항에 있어서,

상기 센서는 광센서인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 폴리싱 장치.