KR20090047021A - 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 폴리싱 패드의 교체 주기를 정확하게 감지하여 화학적 기계적 연마 공정에서 폴리싱 패드 결함으로 인해 발생되는 반도체 소자의 특성 변화를 방지하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 서브 패드와 상기 서브 패드 상에 형성되며 다수의 그루브를 갖는 탑 패드를 포함하며, 탑 패드는 탑 패드 중 그루브 사이에 형성된 제 1 지시막 및 그루브의 하면과 서브 패드 사이에 형성된 제 2 지시막을 포함하고, 제 1 지시막은 불투명한 재질로 이루어지며 제 2 지시막은 탑 패드의 표면을 통해 식별할 수 있도록 탑 패드의 색상과 다른 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 폴리싱 패드 및 이를 갖는 화학적 기계적 연마 장치를 제공한다.
교체 주기, 색상, 지시막, 폴리싱 패드, 화학적 기계적 연마 장치

Description

폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치{POLISHING PAD AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING DEVICE HAVING IT}
본 발명은 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리싱 패드의 교체 주기를 정확하게 감지하여 화학적 기계적 연마 공정에서 폴리싱 패드 결함으로 인해 발생되는 반도체 소자의 특성 변화를 방지할 수 있는 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자(Semioconductor Device)는 고집적화, 고기능화되는 추세에있다. 즉, 반도체 소자는 고집적화에 따른 선폭의 감소에 대응하여 고기능의 구현을 위하여 다차원 배선 구조를 갖는 추세에 있다. 반도체 소자의 제조 방법에 있어서, 배선 수의 증가에 따른 층간 절연막의 평탄화 정도가 후속 공정에 미치는 영향이 점점 커지고 있다. 예를 들어, 층간 절연막의 평탄화가 잘 이루어지지 않을 경우, 리소그래피(Lithography) 공정에서 초점심도(Depth of Focus) 마진(Margin)이 줄어들고, 모든 영역에서 정확한 패턴을 정의하는 것이 어려워 질 수 있다.
통상적으로 상술한 층간 절연막의 평탄도 문제를 해결하기 위하여 화학적 기 계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP, 이하 'CMP'라 한다.) 기술을 이용하고 있다. CMP 기술은 층간절연막의 평탄화뿐만 아니라 소자 분리용 트렌치(trench)의 갭필링(Gap filling), 텅스텐 플러그(W-Plug) 형성 및 배선을 위한 다마신(Damascene) 공정 등에도 다양하게 적용되고 있다.
종래의 CMP 공정은 웨이퍼(또는 반도체 소자)의 표면에 인가되는 슬러리(Slurry)에 따른 화학적 반응 및 웨이퍼의 표면과 폴리싱 패드(Polishing Pad)간의 물리적 마찰에 의한 연마 작용에 의해 진행된다. 따라서, CMP 공정이 계속 진행되는 경우 폴리싱 패드는 마모가 발생된다. 폴리싱 패드가 마모되면 웨이퍼 표면에 대한 연마력이 저하되고, 웨이퍼의 연마가 불균일해지는 문제점이 있다. 또한, 폴리싱 패드의 마모가 심해질 경우 웨이퍼 표면에 스크래치가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 폴리싱 패드의 교체 주기를 정확하게 감지하여 화학적 기계적 연마 공정에서 폴리싱 패드 결함으로 인해 발생되는 반도체 소자의 특성 변화가 방지되는 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명에 의한 폴리싱 패드는 서브 패드와 상기 서브 패드 상에 형성되며 다수의 그루브를 갖는 탑 패드를 포함하며, 상기 탑 패드는 상기 탑 패드 중 상기 그루브 사이에 형성된 제 1 지시막 및 상기 그루브의 하면과 상기 서브 패드 사이에 형성된 제 2 지시막을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제 1 지시막은 불투명한 재질로 이루어지며, 상기 제 2 지시막은 상기 탑 패드의 표면을 통해 식별할 수 있도록 상기 탑 패드의 색상과 다른 색상을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 폴리싱 패드는 상기 탑 패드의 표면에 상기 제 2 지시막의 색상이 나타나는 순간에 교체될 수 있다. 한편, 상기 제 1 지시막은 상기 그루브의 하면을 기준으로 상기 탑 패드의 표면을 향해 2㎜ 내지 3㎜ 높이에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장치는 제 1 항 내지 제 4 항 중 선택되는 어느 하나의 폴리싱 패드가 안착되어 회전하는 폴리싱 테이블, 상기 폴리싱 테이블 상부에 배치되어 상기 폴리싱 패드의 표면에 웨이퍼를 마찰시키는 헤드, 상기 폴리싱 패드의 상면에 형성되어 상기 폴리싱 패드의 표면 상태를 유지하기 위한 컨디셔너 및 상기 폴리싱 테이블 상부에 배치되어 상기 폴리싱 패드 표면에 슬러리를 제공하는 슬러리 공급부를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 따르면 폴리싱 패드의 그루브 사이 중 그루브의 최대 마모 지점 상에 형성되는 제 1 지시막 및 그루브 하부에 색상을 갖도록 이루어진 제 2 지시막을 포함하여 육안으로 교체 주기를 정확하게 인식한다.
또한, 제 1 지시막이 불투명하게 이루어짐으로써 폴리싱 패드가 교체 주기 이전에 교체되어 공정 비용이 낭비되는 것을 방지한다.
또한, 폴리싱 패드의 교체 주기가 정확하게 인식됨에 따라 폴리싱 패드의 노후로 인해 발생되는 불량 요인이 제거되어, 웨이퍼 또는 반도체 소자의 특성 변화를 방지하여 신뢰성이 향상된다.
이하에서 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 폴리싱 패드 및 그를 갖는 화학적 기계적 연마 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마(Chemical Mecanical Polishing : CMP, 이하 'CMP'라 한다. ) 장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 장치가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 장치(1)는 폴리싱 테이블(100), 헤드(200), 컨디셔너(300) 및 슬러리 공급부(400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 폴리싱 테이블(100, Polishing table)은 웨이퍼(W, Wafer)의 연마를 위하여 CMP 공정이 진행되는 동안에 일정 방향(R1)으로 회전하도록 이루어진다. 폴리싱 테이블(100)의 대략 평평한 표면을 갖도록 이루어지며, 표면에는 웨이퍼(W)의 연마를 위한 폴리싱 패드(110, Polishing Pad)가 안착된다. 도 1에 도시되지는 않 았으나, 폴리싱 패드(110)에는 실질적으로 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 다수의 그루브가 형성된다. 본 발명에 따른, 폴리싱 패드(110)는 표면(110a)의 마모에 따른 교체 주기를 육안 상으로 식별하기 위한 지시막들을 포함하여 이루어진다. 폴리싱 패드(110)는 불투명 지시막 및 색상을 갖는 지시막을 통해 교체 주기를 가늠할 수 있다.폴리싱 패드(110)는 이하의 다른 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상기 헤드(200, Head)는 폴리싱 테이블(100)의 상부에 배치된다. 헤드(200)는 하부에 CMP 공정이 진행되는 동안에 웨이퍼(W)를 고정하는 리테이너 링(210, Retainer ring) 및 고정된 웨이퍼(W)와 밀착되는 백 필름(220, Back film)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 헤드(200)는 실질적으로 웨이퍼(W)를 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)에 밀착하여 연마시키기 위하여 압력(F)이 가해짐과 동시에 일정 방향(R2)으로의 회전이 이루어진다. 이때, 헤드(200)의 회전 방향(R2)은 폴리싱 테이블(100)의 회전 방향(R1)과 동일할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼(W)가 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)에 밀착된 상태에서 폴리싱 테이블(100)과 헤드(200)가 동시에 회전하면서 연마가 진행된다.
상기 컨디셔너(300, Conditioner)는 폴리싱 패드(110)의 표면(110a) 상태를 유지하기 위하여 폴리싱 패드(110)의 상부에 형성된다. 이에 따라, 컨디셔너(300)는 컨디셔닝 디스크(310, Conditioning Disk) 및 폴리싱 패드(110) 전체를 이동할 수 있도록 조정 가능한 디스크 암(320, Disk Arm)을 포함할 수 있다. 컨디셔닝 디스크(310)는 연마 단계에서 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)에 형성된 이물질을 제 거하고, 이후의 연마 단계에서 불량이 발생되지 않도록 표면(110a)의 조도를 적절하게 유지하는 역할을 한다. 즉, 컨디셔너(300)는 폴리싱 패드(110)의 표면(110a) 상태를 적절히 유지하여 이후 웨이퍼(W)의 연마 단계에서 불량이 발생되지 않도록 컨디셔닝(Conditioning)한다. 그러나, 본 발명에서 폴리싱 패드(110)의 컨디셔닝 방법을 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 슬러리 공급부(400)는 폴리싱 테이블(110) 상부에 배치된다. 즉, 슬러리 공급부(400)는 슬러리 공급관(410)을 통하여 웨이퍼(W)가 연마되는 동안에 슬러리(411)가 제공될 수 있도록 한다. 슬러리(411)는 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)에 공급되며, 이로 인하여 웨이퍼(W)의 표면이 화학적으로 연마될 수 있도록 한다. 슬러리(411)는 연마하고자하는 웨이퍼(W) 또는 반도체 소자의 표면 특성에 따라 다양한 성분으로 구성될 수 있으며, 필요에 따라서는 서로 다른 성분을 갖는 다수의 슬러리 또는 슬러리 공급부가 제공될 수도 있으나, 본 발명에서 이를 한정하지는 않는다.
다음으로 본 발명에 따른 폴리싱 패드(110)에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리싱 패드(110)의 평면도가 도시되어 있고, 도 2b를 참조하면 도 2a의 수직 단면도가 도시되어 있다. 또한, 도 2c를 참조하면, 도 2b의 A부분을 확대한 단면도가 도시되어 있다. 실질적으로 도 2a 내지 도 2c에 도시된 폴리싱 패드(110)는 상술한 CMP 장치(1)에 적용된 것과 같 다. 그러나 본 발명에서 폴리싱 패드(110)가 적용되는 CMP 장치를 이에 한정하는 것은 아니다.
도 2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, 폴리싱 패드(110)는 서브 패드(111) 및 탑 패드(112)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 서브 패드(111, Sub Pad)는 대략 평평한 상면 및 폴리싱 테이블(100)과 접촉되는 하면을 포함하여 이루어진다. 서브 패드(111)는 CMP 공정이 진행되는 동안에 탑 패드(112)를 지지하며, 탑 패드(112)와의 사이에서 투입되는 웨이퍼(W)의 연마 정도에 따라 상호 보완되는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 탑 패드(112, Top Pad)는 서브 패드(111)의 상면에 형성된다. 탑 패드(112)은 대략 원형의 평면 형상을 갖는다. 탑 패드(112)는 다수의 그루브(112g, groove), 제 1 지시막(112a) 및 제 2 지시막(112b)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 그루브(112g)는 웨이퍼(W)의 연마를 위한 물리적 마찰을 제공한다. 그루브(112g)는 대략 동심원의 평면 형상으로 폴리싱 패드(110) 전체에 걸쳐 형성된다. 폴리싱 패드(110)의 그루브(112g)는 웨이퍼(W)의 연마력을 결정하는 주요 요소로써, 적정한 규격을 갖도록 선정될 수 있다. 이러한, 그루브(111g)는 CMP 공정이 진행됨에 따라 웨이퍼(W)의 표면, 헤드(200) 및 컨디셔너(300)와의 마찰로 인하여 깊이가 낮아진다. 그루브(112g)의 깊이가 낮아지면 웨이퍼(W)의 연마력이 감소되거나, 웨이퍼(W)의 표면에 스크래치 등의 손상이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 그루브(112g)가 일정 깊이 이하가 되면 폴리싱 패드(110)는 새로 교체되어야 한다.
상기 제 1 지시막(112a) 및 제 2 지시막(112b)은 그루브(112g)의 교체 주기를 육안으로 식별하기 위하여 형성된다. 보다 상세하게 설명하면 먼저, 제 1 지시막(112a)은 탑 패드(112) 중 그루브(112g) 사이에 형성된다. 통상적으로 탑 패드(112)는 투명 또는 반투명 재질로 이루어지는 데에 반하여, 제 1 지시막(112a) 부분은 불투명한 재질로 이루어질 수 있다. 따라서 그루브(112g)가 마모되기 전 상태에서는 그루브(112g) 하면에 형성된 제 2 지시막(112b)의 색상이 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)으로 식별되지 않으며, 이로 인하여 폴리싱 패드(110)가 교체 주기 이전에 교체되어 공정 비용이 낭비되는 것이 방지된다. 즉, 제 1 지시막(112a)은 교체될 폴리싱 패드(110) 중 그루브(112g)의 마모 정도를 지정하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 제 1 지시막(112a)은 그루브(112g)의 최대 마모 지점 상에 형성된다. 제 1 지시막(112a)은 그루브(112g)의 하면을 기준으로 탑 패드(112) 표면 방향으로 대략 2㎜ 내지 3㎜ 높이(h)에 형성될 수 있다. 그루브(112g)의 하면을 기준으로 제 1 지시막(112a)의 높이가 3㎜를 초과하는 경우에는 필요 이상으로 폴리싱 패드(110)의 교체 주기가 짧아질 수 있으므로 이에 따른 공정 비용이 증가될 수 있다. 반면, 제 1 지시막(112a)의 높이가 2㎜ 미만인 경우에는 그루브(112g)의 마모가 더 많이 진행되어, 웨이퍼(W)의 연마력이 감소될 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 표면에 스크래치가 발생됨으로 인하여 웨이퍼(W)의 품질이 저하되는 문제점이 생길 수 있다. 이러한, 제 1 지시막(112a)은 대략 0.5㎜의 두께(t)로 형성될 수 있으나, 본 발명에서 제 1 지시막(112a)의 두께를 이에 한정하지는 않는다.
다음으로 제 2 지시막(112b)은 그루브(112g)의 하면과 서브 패드(111) 사이에 형성된다. 제 2 지시막(112b)은 육안으로 식별 가능한 색상을 포함하여 이루어진다. 실질적으로, 제 2 지시막(112b)은 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)을 통해 식별할 수 있도록 탑 패드(112)와 다른 색상을 갖는다. 즉, 제 2 지시막(112b)은 백색을 제외한 모든 식별 가능한 색상 중 선택되는 어느 하나일 수 있다. 제 2 지시막(112b)이 백색인 경우는 반투명으로 이루어지는 탑 패드(112)의 표면에 제 2 지시막(112b)의 색상이 육안 상 구분되지 않을 수 있으므로 제외된다. 탑 패드(112)에 포함된 제 1 지시막(112a)이 연마되는 순간 탑 패드(112)의 표면으로 그루브(112g) 하부에 형성된 제 2 지시막(112b)의 색상이 드러난다. 이에 따라 폴리싱 패드(110)가 교체 주기에 이르렀음을 확인할 수 있다.
이하에서 교체 주기 경과에 따른 폴리싱 패드(110)의 작용에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3a를 참조하면, 마모된 폴리싱 패드(110')의 평면도가 도시되어 있고, 도 3b를 참조하면, 마모된 폴리싱 패드(110')의 단면도가 도시되어 있다. 또한, 도 3c를 참조하면 도 3b의 B부분을 확대한 단면도가 도시되어 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 폴리싱 패드(110')는 마모되어 상대적으로 낮은 깊이를 갖는 그루브(112g')를 포함한다. 즉, 일정 기간에 걸쳐 마모된 탑 패드(112')에는 도 2a 내지 도 2c에서 설명된 제 1 지시막(112a)이 남아있지 않게 되고, 제 2 지시막(112b)이 갖는 색상이 탑 패드(112')의 표면에 드러나게 된 다. 따라서, 마모된 폴리싱 패드(110')는 교체 주기에 이르렀음을 나타낸다. 이때, 남아 있는 그루브(112g')의 깊이(d)는 대략 2㎜ 내지 3㎜로서, 위에서 설명한 제 1 지시막(112a)이 형성된 높이(h)와 대략 동일하다. 즉, 교체 주기에 이른 폴리싱 패드(110) 중 그루브(112g')의 마도 정도가 도 2a 내지 도 2c에서 설명된 제 1 지시막(112a)에 의해 결정될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 제 1 지시막(112a) 및 제 2 지시막(112b)을 포함하여 육안으로 교체 주기의 식별이 가능한 폴리싱 패드(110) 및 이를 갖는 CMP 장치(1)를 제공한다. 즉, 탑 패드(112)에 형성된 그루브(112g) 사이에 그루브(112g)의 마모 정도를 결정짓는 불투명 재질의 제 1 지시막(112a)을 형성하고, 제 1 지시막(112a)이 제거되었을 경우 폴리싱 패드(110)의 표면(110a)에 색상이 나타나도록 그루브(112g)와 서브 패드(111) 사이에 색상을 갖는 제 2 지시막(112b)을 형성한다. 이에 따라 폴리싱 패드(110)의 교체 주기를 육안을 통해 비교적 정확하게 가늠할 수 있게 된다. 이와 같은 폴리싱 패드(110)를 이용한 교체 주기 식별은 폴리싱 패드(110)의 노후로 인해 발생되는 불량 요인이 방지되어 웨이퍼 또는 반도체 소자의 신뢰성이 향상된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 장치이다.
도 2a는 본 발명에 일 실시예에 따른 폴리싱 패드를 나타내는 평면도이다.
도 2b는 폴리싱 패드의 수직 단면도이다.
도 2c는 도 2b의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 3a는 CMP 공정 이후 마모된 폴리싱 패드를 나타내는 평면도이다.
도 3b는 마모된 폴리싱 패드의 수직 단면도이다.
도 3c는 도 3b의 B부분을 확대한 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : CMP 장치 100 : 폴리싱 테이블
110 : 폴리싱 패드 111 : 서브 패드
112 : 탑 패드 112g : 그루브
112a : 제 1 지시막 112b : 제 2 지시막
200 : 헤드 300 : 컨디셔너
400 : 슬러리 공급부 411 : 슬러리

Claims (5)

  1. 서브 패드와 상기 서브 패드 상에 형성되며 다수의 그루브를 갖는 탑 패드를 포함하며,
    상기 탑 패드는,
    상기 탑 패드 중 상기 그루브 사이에 형성된 제 1 지시막; 및
    상기 그루브의 하면과 상기 서브 패드 사이에 형성된 제 2 지시막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱 패드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지시막은 불투명한 재질로 이루어지며,
    상기 제 2 지시막은 상기 탑 패드의 표면을 통해 식별할 수 있도록 상기 탑 패드의 색상과 다른 색상을 갖는 것을 특징으로 하는 폴리싱 패드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리싱 패드는,
    상기 탑 패드의 표면에 상기 제 2 지시막의 색상이 나타나는 순간에 교체되는 것을 특징으로 하는 폴리싱 패드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지시막은 상기 그루브의 하면을 기준으로 상기 탑 패드의 표면을 향해 2㎜ 내지 3㎜ 높이에 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리싱 패드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 선택되는 어느 하나의 폴리싱 패드가 안착되어 회전하는 폴리싱 테이블;
    상기 폴리싱 테이블 상부에 배치되어 상기 폴리싱 패드의 표면에 웨이퍼를 마찰시키는 헤드;
    상기 폴리싱 패드의 상면에 형성되어 상기 폴리싱 패드의 표면 상태를 유지하기 위한 컨디셔너; 및
    상기 폴리싱 테이블 상부에 배치되어 상기 폴리싱 패드 표면에 슬러리를 제공하는 슬러리 공급부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020185641A (ja) * 2019-05-14 2020-11-19 株式会社Sumco 研磨パッドの管理方法及び研磨パッドの管理システム
KR20210029395A (ko) * 2019-09-06 2021-03-16 에스케이씨솔믹스 주식회사 깊이 조절이 가능한 그루브를 갖는 연마패드 및 이를 포함하는 연마 장치

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