KR20100096999A - Ｃｍｐ 슬러리의 주입 방법 - Google Patents

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레오나드 보루키
야사 삼푸르노
시안 텡
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아라카 인코포레이티드
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Abstract

반도체 웨이퍼들의 화학 기계적 연마시에 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하는 방법으로서, 솔리드 초승달형 인젝터 (solid crescent shaped injector) 의 오목한 트레일링 에지는 0 내지 3 인치의 갭을 가지고 연마 헤드의 리딩 에지의 형상 및 크기에 맞춰지고, 그 저부면은 연마 패드에 대향되고, 솔리드 초승달형 인젝터는 가벼운 하중을 가지고 연마 패드 상에 놓이고, 그리고 솔리드 초승달형 인젝터의 상단에서의 하나 이상의 개구를 통해 CMP 슬러리 또는 그 성분들이 도입되어, 채널 또는 레저보를 통해 디바이스의 길이를 따라 저부로 이동하는 것을 포함하고, CMP 슬러리 또는 그 성분들은 솔리드 초승달형 인젝터의 저부에서의 다수의 개구들을 빠져나가고, 박막 내로 확산되고, 슬러리의 대부분 또는 전부가 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되기에 충분히 작은 양으로 웨이퍼의 리딩 에지를 따라 연마 패드의 표면과 웨이퍼의 접합부에 도입되고, 솔리드 초승달형 인젝터의 저부면에 직접 그리고 채널에서의 상이한 지점들로의 유체의 도입을 위한 다수의 유입구들이 이용되고, 유입구들의 일부 또는 전부에 유체의 흐름을 제어하는 수단이 설치되고, 연마 동안 또는 연마 후에 흐름 제어 수단을 조절하여 웨이퍼의 표면으로의 슬러리 공급을 조절하여 웨이퍼 표면에서의 제거 레이트의 균일성을 개선시킨다.
CMP 연마, 슬러리, 연마 패드, 솔리드 초승달형 인젝터

Description

ＣＭＰ 슬러리의 주입 방법{METHOD FOR THE INJECTION OF CMP SLURRY}
본 발명은 다수의 가변 슬러리 또는 다른 유체 유입구를 구비한 슬러리 인젝터를 사용하여 CMP 에서의 슬러리 사용 효율 및 연마 제거 레이트 변화를 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.
연마 패드 및 다이아몬드 컨디셔너 디스크와 함께 화학 기계적 연마 (CMP) 슬러리는 최근 CMP 프로세스를 수행하기 위해 사용되는 장비의 주요 콤포넌트를 형성한다. 이들 연마 패드 및 다이아몬드 컨디셔너 디스크는 신뢰할만한 품질 및 효용성의 표준으로 다수의 업체에 의해 제조 및 판매되었다. 슬러리의 기능은 기계적 연마제 입자 및 화학적 콤포넌트를 웨이퍼의 표면으로 연속적으로 전달하고, 반응 생성물 및 웨이퍼 파편을 연마 표면으로부터 제거하는 수단을 제공하는 것이다. 기술 분야에 알려진 효용성 및 특성을 변화시키는 다수의 다양한 슬러리가 있다.
현재, 가장 일반적인 종류의 CMP 도구, 회전 연마기에 있어서, 슬러리가 단순한 공급관, 노즐 또는 분사 바를 사용하여 회전하는 연마 패드 상에 일정한 유량으로 도포된다. 신선한 슬러리는 중력 및 구심 가속도의 영향 하에서 도포 지 점(들)로부터 멀리 흘러, 사용된 슬러리나 연마 패드와 웨이퍼 사이를 통과하고 연마시 사용되었던 슬러리와 혼합된다.
다소 화학적으로 "소비된" 것 이외의 오래된 슬러리는 추가로 웨이퍼, 컨디셔너 및 패드로부터의 파편을 포함하며, 파편들은 오래된 슬러리가 웨이퍼와 연마 패드 사이의 갭으로 다시 들어가는 경우 웨이퍼 표면에 노출되어 오염을 증가시키고 흠결을 증가시킬 수 있다. 따라서, 연마 파편, 확장하여 사용된 슬러리를, 생성된 후 빨리 연마 패드로부터 제거하고, 그리고 가능한 최상의 정도까지 웨이퍼 아래로 재도입되지 않게 하는 것이 중요하다.
결국, 패드의 회전은 슬러리를 웨이퍼의 리딩 에지 (leading edge) 또는 웨이퍼 리테이닝 링의 리딩 에지에 접촉시키고, 여기서 선수파 (bow wave) 를 형성한다. 이 지점에서 신선한 슬러리의 일부가 웨이퍼 및 연마 패드 사이의 10 ~ 25 마이크론의 좁은 갭으로 이류 (advect) 되고, 연마에 이용된다. 패드의 표면이 거칠고, 웨이퍼의 표면이 상대적으로 부드럽기 때문에 갭이 존재하며, 웨이퍼는 패드 표면의 높은 지점에만 접촉된다. 하지만, 대부분의 신선한 슬러리는 선수파에 존재하며, 연마 헤드 및 패드의 연합 회전에 의해 패드의 에지로 운반된다. 이후 슬러리는 패드의 에지 상부에서 소실된다. 즉, 실제 슬러리 이용, 도포된 전체 슬러리에 대한 거친 패드 표면 및 웨이퍼 사이의 갭으로 들어가는 도포된 새로운 슬러리의 비율은 이러한 회전 CMP 도구에서는 전반적으로 매우 낮다. 이것은, 슬러리 소비 및 폐기물 처리가 오너쉽의 비용 및 CMP 도구의 동작의 큰 부분을 차지하기 때문에, 중요한 문제이다.
웨이퍼들이 연마되는 경우, 연마 패드에 탈이온수 (통상 이 탈이온수는 패드의 중심에 첨가됨) 를 도포함으로써, 웨이퍼들 사이의 CMP 연마 패드의 사용된 슬러리를 세정해내는 것이 당업계의 실상이기 때문에, 웨이퍼로부터의 연마 제거 레이트 및 균일성 발생에 추가적인 영향이 발휘된다. 하나의 웨이퍼를 제거하고 그것을 제 2 웨이퍼로 교체하는 그 사이의 시간은 짧고, 새로운 웨이퍼의 연마가 시작되는 경우 변함없이 많은 양의 물이 패드 상에 남아있다.
이 탈이온수는 균일하게 분배되지 않으며, 그 결과 일정하지 않은 방식으로 새로이 첨가된 슬러리를 희석시키며, 이것은 희석된 슬러리에 의한 제거 레이트의 일반적인 감소 및 패드의 상이한 부분 상의 슬러리 농도 변화로 인한 제거 레이트의 균일성 부족 모두를 야기시킨다. 이 효과는 수 초간 지속되기 때문에 웨이퍼가 연마되는 동안의 시간의 25 퍼센트에서 50 퍼센트까지 어딘가에서 상당히 부정적인 효과를 발휘할 수 있고, 이번에는 프로세스 효용성 및 제품 품질 면에서의 상당하고 값비싼 감소를 결과로 발생시킬 수 있다.
웨이퍼 아래에서의 슬러리의 이류 및 진입을 용이하게 하기 위해서, 종래 기술의 종사자들은 CMP 패드에 그루브 (groove) 를 사용하였다. 이것은 일부 슬러리가 패드-웨이퍼 계면에 확실히 도달하게 하는데 효과적이지만, 여전히 대부분의 슬러리가 심지어 사용되지도 않은채 패드로부터 제거되게 한다. 슬러리는 고가이고, 많은 양의 슬러리를 제공 및 제거하기 위한 디바이스, 장비 및 절차는 CMP 프로세스에 포함되어야 하고, 이것은 CMP 프로세스를 복잡하게 하고 방해하기도 한다.
현재, 사용되는 슬러리의 양을 실질적으로 감소시키거나, 또는 CMP 동안 패드에 도입된 대부분의 슬러리가 패드와 웨이퍼 사이에 실제 도입되어 패드로부터 제거되기 이전에 목적한대로 이용되는 것을 보장하기 위한 효과적인 방법은 없다. 또한, 웨이퍼와 패드 사이의 갭에 진입하는 것이 가능하게 되기 전에 연마로부터의, 물, 오래된 슬러리 또는 파편에 의한 새로운 슬러리의 희석 또는 오염을 방지할 수 있는 효과적인 방법이 없다. 그리고 웨이퍼로부터의 제거 레이트 변화를 최소화하기 위해서 패드의 상이한 부분에서의 슬러리 농도를 최적화할 방법도 현재는 없다.
지금까지 이들 문제점을 해결하기 위한 방법은, 상술한 바와 같이, CMP 패드의 표면에 그루브를 배치하여 CMP 연마 동안 슬러리의 일부분을 웨이퍼 아래로 안내하는 것으로 이루어져 왔다. USP 5216843 (Breivogel 등, 출원일 1992년 9월 24일)(본 명세서에서 참조로 통합됨) 에 있어서, "박막을 연마하기 위한 장치"..."상기 장치가 포함하는 것은"... "상기 테이블을 커버하는 패드, 복수의 수행 그루브가 형성되어 있는 상부면을 가지는 상기 패드, 패드/기판 계면에서 상응하는 복수의 포인트 콘택을 생성함으로써 연마 프로세스를 용이하게 하는 상기 수행 그루브" 그리고 "상기 기판을 연마하면서 복수의 마이크로 채널 그루브를 상기 패드의 상기 상부면에 제공하는 수단이며, 여기서 상기 마이크로 채널 그루브는 상기 기판 및 상기 패드 사이에 상기 슬러리를 채널링함으로써 상기 연마 프로세스를 용이하게 하는 것을 돕는다". 여전히 USP 7175510 (Skyopec 등, 출원일 2005년 4월 19일, 본 명세서에서 참조로 통합됨) 에 있어서는, "연마 패드가, 웨이퍼와 연마 패드 사이에서 (sic) 슬러리를 채널링하고 웨이퍼로부터 과잉 재료를 제거하여, 웨이퍼 표면의 효율적인 연마를 가능하게 하는 그루브를 가지는" 연마 방법이 기재되어 있다. 심지어 Skyopec 등과 같이 최근에도, 패드와 웨이퍼 사이에 도입되는 슬러리의 양을 최대화하기 위한 바람직한 방법은 연마 패드 표면에 그루브를 제조하는 것이었고, 그 분야의 종사자들의 노력도 이들 "마이크로-채널" 이 적합한 방식으로 재생성되거나 유지되는 것을 확보하는데 한정되었다.
US 2007 0224920 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 에서, 이들 그루브는, 그루브에 의해 웨이퍼 아래로 안내되는 슬러리 양을 최적화하기에 적절한 크기 및 형상으로 제조된 패드에서의 호 (hoe) 에 의해 개선된다. 하지만, 이것은 선수파에서의 슬러리 축적에 기인한 새로운 슬러리 폐기의 기본적인 문제 또는 연마 제거 레이트의 일관성 문제를 해결하지 않는다.
또한, Novellus Systems, Inc. 는, 연마 패드를 통해 웨이퍼 아래로 직접 슬러리가 주입되는 오비탈 연마기 (본 명세서에서 참조로 통합되는 USP 6500055) 를 통해서 슬러리 이용 문제에 대해 대처한다 (본 명세서에서 참조로 통합되는 USP 5554064). 이것은 높은 슬러리 이용을 보장하지만 슬러리 분배 시스템을 수용하는 복잡한 플레이튼 (platen) 및 커스텀 패드와, 주입법을 이용하기 위한 전문화된 연마 도구를 요구한다. 마찬가지로 US 2007 0281592 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 에서는, 다단계 CMP 프로세스를 용이하게 하기 위해서 슬러리 및 다른 컨디셔닝 화학물질이 다이아몬드 컨디셔닝 디스크에서의 어퍼쳐 (aperture) 를 통해 도입 및 제거되지만, 이것을 목적으로 하지 않으며, 웨이퍼와 CMP 패드 사이에 보 다 많은 부분을 향하게 함으로써 슬러리 이용을 효과적으로 개선하지도 않는다.
또한, 종래 기술에서 슬러리를 디스펜싱하기 위한 장치를 교시하는 USP 5964413 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 도 있다. 이것은 패드 웨이퍼 계면의 특정 위치에 슬러리를 펌핑하기보다는 오히려 패드 상에 슬러리를 분사하기 위한 디바이스이며, 본 발명에 의해 구해지는 원하는 혜택을 제공하지 않는다.
또한, USP 6929533 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 은, 웨이퍼 내의 CMP 균일성을 개선하기 위한 방법을 교시한다. 이 특허는 멀티플 노즐을 구비한 슬러리 디스펜스 바를 사용하여 전체 웨이퍼 트랙에 걸쳐서 슬러리를 분배시키는, 회전하는 선형 연마기의 연마 레이트 균일성을 개선하기 위한 방법을 기재한다. 슬러리 디스펜서 바는 패드 상부에 안착하되 패드에 접촉하지 않는다. 이 방법은, 본 발명과 비교하여, 상당량의 새로운 슬러리가 처음에 패드 아래에 이류되도록 하기 위해서 필수적인, 웨이퍼-패드 갭과 동일한 두께를 가지는 슬러리 층의 생성의 이로운 효과는 없다.
USP 6283840 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 은, 화학 기계적 연마 장치에서 사용하기 위한 세정 및 슬러리 분배 시스템 어셈블리를 교시한다. 이 장치는 "인클로즈드 영역에 슬러리를 분배시켜 인클로즈드 영역에 슬러리 레저보 (reservoir) 를 형성하는 배출구를 구비하며, 여기서 슬러리를 연마 표면 및 리테이너의 하부면 사이에서 운반함으로써 리테이너에 의해 인클로징되지 않은 영역에 분배시킨다". 하지만, 요구되는 특정 랜드 영역에의 슬러리 도포가 교시되지 않고, 사실상 대부분의 슬러리가 웨이퍼와 연마 패드 사이의 단면 영역에 있어서 랜드 영역을 일반적으로 초과하는 랜드 영역들 사이의 그루브를 통해서 소실된다. 이 장치는 또한 연마 패드의 중심으로부터 반경의 함수로서 흐름에 대한 제어를 교시하거나 달성하지 못하며, 그리고 새롭게 도포된 슬러리로부터 오래된 소비된 슬러리, 희석수 또는 연마 폐기물 분리의 교시 또는 보고된 효과도 없다.
장치가 달성하는 주요 기능은 슬러리로부터의 분사 또는 세정제로부터의 분사가 연마기 상에 계속해서 퇴적되지 않게 하는 것이며, 여기서 잔류물은 결함을 일으키는 오염원이 될 수 있다. 이것은 명세서에서 여러번 언급된다. 배경 기술은 마지막 단락에서 슬러리 소비의 감소를 언급하지만, 그 특허는 이것을 달성하는 교시 또는 정말로 어떻게 달성할지에 대한 교시는 포함하지 않는다.
USP 5997392 는, 화학 기계적 연마에 대한 슬러리 주입 기술을 교시한다. 슬러리 도포법은 다수의 노즐로부터 압력하에서 패드 상에 슬러리를 분사하는 것을 포함하지만, 이 발명은 슬러리의 배치 및 형태에서의 정밀도 부족이 실질적으로 그 효용성을 감소시킨다는 점에서 USP 6929533 과 동일한 결점을 가진다.
USP No. 4,910,155 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 는, 기본 CMP 프로세스를 기재하며, 연마 패드 및 연마 테이블 주위의 리테이닝 벽을 이용하여 패드 상의 슬러리 풀 (pool) 을 리테이닝한다. 풀링된 슬러리를 패드 웨이퍼 갭으로 보다 효과적으로 들어가게 하는 특별한 방법을 기재하지는 않는다. US 특허 No. 5,403,228 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 은, CMP 프로세스에서 다수의 연마 패드를 플레이튼 상에 탑재시키는 기술을 개시한다. 연마 슬러리의 화학 작용에 손상되지 않는 재료의 씨일이 패드들 사이 계면의 주변 둘레에 배치되고, 패드가 어 셈블리되는 경우 비드가 짓눌리고 씨일을 형성하며 상부 패드의 둘레를 상측으로 굽혀 패드를 범람하기 이전에 패드의 면 상에서의 슬러리의 체류 시간을 증가시키기 위해 보울 형상의 레저보를 생성시킨다.
USP 특허 No. 3,342,652 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 는, 반도체 기판을 화학적으로 연마하기 위한 프로세스를 교시하고, 슬러리 용액이 클로스와 연마될 웨이퍼 사이에 액체층을 형성하는 스트림으로서 버스트 (burst) 에서 패드의 표면에 도포된다. 그 용액은 디스펜싱 보틀 (bottle) 로부터 도포되고, 폐기물인 식각 생성물을 제거하기 위해서 연마 클로스의 최대 세정을 제공하도록 웨이퍼-플레이트 어셈블리에 접하게 도포된다. US 특허 No. 4,549,374 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 는, 탈이온수에 몬모릴로나이트 점토를 포함하는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 특별히 제법된 연마 슬러리의 사용을 나타낸다.
USP 6284092 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 에서는, CMP 가 슬러리 원자화 슬러리 디스펜스 시스템을 교시하며, 여기서 "...연마 슬러리 디스펜서 디바이스가, 슬러리를 패드 측으로 바람직하게는 스트림으로서, 보다 바람직하게는 드롭으로서 패드 표면 및 에어 커튼 측으로 디스펜스하여 연마 패드 표면에 또는 그 가까이에서 슬러리를 교차시키기 위해서 배치된다". 종래 기술의 연마 장치의 연마 레이트 및 연마 균일성을 여전히 유지하면서, 종래 연마 장치보다 더 작은 슬러리를 사용하여 웨이퍼를 연마한다. 바람직한 디스펜서는 슬러리관 및 에어관을 가지는 기다란 하우징이며, 각 관은 그 장축을 따라 이격된 슬러리 개구 및 에어 개구를 복수개 가지고, 관은 바람직하게 연마 패드 직경의 적어도 1/2 이상으로 방 사상으로 배치된다.
연마 슬러리는 슬러리 관으로부터 패드 표면 측으로 바람직하게 드롭의 형태로 안내되고, 에어관으로부터의 에어는 에어 커튼을 형성하며, 에어 커튼은 슬러리 드롭을 바람직하게는 패드 표면에 또는 패드 표면의 약간 상부에서 교차시켜 슬러리를 분무 (atomize) 한다.
이 시스템이 슬러리를 균일하게 분배시키는 동안, 웨이퍼의 리딩 에지에서의 슬러리 층의 두께가 갭의 두께임을 보장하는 방법으로 그렇게 분배시키지 않는다.
USP 6398627 은, 다수의 조절가능한 노즐을 가지는 슬러리 디스펜서를 교시한다. 그 분야의 교시에서는, 다수의 슬러리 디스펜싱 노즐이 장착된 화학 기계적 연마 장치의 슬러리 디스펜싱 유닛이 개시되어 있다. 슬러리 디스펜싱 유닛은, 슬러리 용액의 연속적인 흐름을 위해서 도관들 및 일체형으로 연결된 복수의 노즐 사이에서 유체 연통하여 연결되거나 또는 슬러리 용액을 디스펜싱하기 위한 전달 도관에서의 유체 통로와 유체 연통하여 연결되는 전달 도관, 리턴 도관 및 U-형상 도관을 구비한 디스펜서 바디에 의해 구성된다. 다수의 슬러리 디스펜싱 노즐은, 각 노즐 개구에서 흐름 제어 밸브를 이용함으로써 고정된 개구 또는 조절가능한 개구를 가질 수 있다. 언급된 종래 기술에서와 같이, 이 특허는 웨이퍼의 리딩 에지에서의 슬러리 층의 두께가 웨이퍼 패드 갭과 동일한 것을 보장하는 어떠한 특징도 없다.
USP 6429131 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 은 CMP 레이트 균일성에 관한 것이고, 슬러리 분배의 개선된 제어를 제공함으로써 달성된 개선된 CMP 균일성을 교시하다. 개선된 슬러리 분배는 예를 들어, 슬러리를 복수의 디스펜싱 지점으로부터 디스펜싱하는 슬러리 디스펜서의 사용에 의해 달성된다. 슬러리 디스펜서 및 웨이퍼 사이에 스퀴즈 (squeeze) 바를 제공하여 슬러리를 재분배시키는 것도 또한 슬러리 분배를 개선한다. 이 발명은 패드 상부에 슬러리를 균등하게 분배시킬 수 있으나, 갭의 두께에 걸쳐 슬러리의 균일한 층을 제공하지 않는다.
마지막으로, USP 특허 출원 12 262,579 (본 명세서에서 참조로 통합됨) 에서는, 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하기 위한 방법 및 디바이스는 솔리드 초승달형 인젝터를 포함하고, 인젝터의 오목한 트레일링 에지 (concave trailing edge) 는 0 ~ 1 인치의 갭을 가지고 연마 헤드의 리딩 에지의 크기 및 형상에 맞춰지고, 인젝터는 가벼운 하중으로 패드 상에 놓이고, 그 저부면이 패드와 대향하고, 그리고 인젝터를 통과한 CMP 슬러리 또는 그 성분이 인젝터의 상단에서의 하나 이상의 개구를 통해서 도입되고 그리고 채널 또는 레저보를 통해서 디바이스의 길이를 따라 저부로 이동하고, 여기서 CMP 슬러리 또는 그 성분은 인젝터의 저부에서의 다수의 개구를 빠져나가고, 박막으로 확산되며, 슬러리 전부 또는 대부분이 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되기에 충분한 정도의 소량으로 웨이퍼의 리딩 에지를 따라 웨이퍼와 연마 패드의 표면의 접합부에 도입된다. 이것은 소비된 슬러리, 과량의 희석수 또는 연마 파편에 의해 상대적으로 오염되지 않은 슬러리를 웨이퍼와 패드 사이의 갭으로 도입하는 문제를 해결한다.
그루브 및 마이크로채널의 생성 및 유지가 CMP 연마의 동작에 필수적이지만, 여전히 패드 및 웨이퍼 사이에 슬러리를 도입하는 효율적인 수단을 제공할 정도는 아니며, 이로써 패드 상에 도입된 대부분의 슬러리 또는 심지어 상당 부분의 슬러리가 패드 및 웨이퍼 사이에 실제로 도입된다. 또한, 슬러리를 패드 상에 균등하게 확산시키기 위해서 매우 많은 방법이 설계되어 왔지만, 지금까지 어떤 것도 패드 웨이퍼 갭으로의 원활한 진입을 위한 적합한 두께의 슬러리 층을 제작하는 방법을 교시하지 않았다. 대부분의 슬러리는 웨이퍼의 리딩 에지에서의 슬러리의 파에서 계속해서 축적하며, 대부분에 있어서 리딩 에지를 따라 외측으로 이동하여 패드 에지에서 내버려져 폐기된다. 또한, 웨이퍼 아래에 있었고 오염된 사용된 슬러리는, 패드가 회전되고 선수파에서 새로운 슬러리와 혼합될 때, 리턴하여, 실제 CMP 에서 사용된 슬러리의 품질을 상당히 감소시키고, 폐기물을 상당히 증가시킨다. 결국, 종래 기술의 이들 방법 중 어느 것도 재료 제거 및 웨이퍼들 사이에 첨가하는 잔류 슬러리 세정수의 균일성에 대한 부정적인 효과를 감소시키지 않았다. 또한, 슬러리를 웨이퍼 및 패드 사이의 갭으로 주입하기 위해서 일 디바이스 및 방법이 발명되었지만, 개시된 바와 같이 전술된 방법은 심지어 웨이퍼 및 패드 사이의 갭으로의 슬러리의 분배도 효과적으로 보장하지 않는다. 그 결과, 웨이퍼의 연마가 불균일해진다.
본 발명의 개요
본 발명은, 솔리드 초승달형 인젝터 (solid crescent shaped injector) 를 포함하는 미국 특허 출원 제12 262,579호에 기재된 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼들의 화학 기계적 연마시에 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하는 방법에 관한 것이며, 이 솔리드 초승달형 인젝터의 오목한 트레일링 에지는 0 내지 1 인치의 갭을 가지고 연마 헤드의 리딩 에지의 형상 및 크기에 맞춰지고, 그 저부면은 연마 패드에 대향되고, 솔리드 초승달형 인젝터는 가벼운 하중을 가지고 연마 패드 상에 놓이고, 솔리드 초승달형 인젝터의 상단에서의 하나 이상의 개구를 통해 CMP 슬러리 또는 그 성분들이 도입되어, 채널 또는 레저보를 통해 디바이스의 길이를 따라 저부로 이동하고, 여기서 CMP 슬러리 또는 그 성분들은 솔리드 초승달형 인젝터의 저부에서의 다수의 개구들을 빠져나가고, 박막 내로 확산되고, 슬러리의 대부분 또는 전부가 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되기에 충분히 작은 양으로 웨이퍼의 리딩 에지를 따라 연마 패드의 표면과 웨이퍼의 접합부에 도입되고, 디바이스로의 슬러리의 도입을 위한 다수의 개구들이 이용되는데, 여기에 다양한 농도의 슬러리 또는 희석액의 흐름을 제어하는 디바이스들이 설치되고, 연마 동안 또는 연마 후에 이들 디바이스들을 조절하여 패드의 랜드 영역들 상의 새로운 슬러리의 균일한 분배를 획득하고 이어서 웨이퍼 전체에 걸쳐 더욱 균일한 제거 레이트를 획득한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 반도체 웨이퍼들의 화학 기계적 연마시에 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하는 방법에 관한 것이며, 디바이스로의 슬러 리의 도입을 위한 다수의 개구들이 이용되는데, 여기에 다양한 농도의 슬러리 또는 희석액 또는 다른 유체의 흐름을 제어하는 수단이 설치되고, 연마 동안 또는 연마 후에 이들 디바이스들을 조절하여 패드의 랜드 영역들 상의 새로운 슬러리의 균일한 분배를 획득하고 이어서 웨이퍼 전체에 걸쳐 더욱 균일한 제거 레이트를 획득하고, 여기서 이러한 도입 방법은 또한 피드백 루프에서 흐름 제어를 위한 디바이스들을 조절하는 수단과 조합되어서 연마 패드 상의 슬러리 분배를 개선하기 위해 슬러리 레저보의 상이한 부분들 내부의 슬러리의 농도가 조절될 수도 있다.
특히, 본 발명은 슬러리 또는 다른 유체 (특히, 희석액) 를 위한 다수의 유입구들 및 인젝터를 이용하여 웨이퍼의 CMP 에 대한 제거 레이트를 개선시키는 방법에 관한 것이다. 단일 슬러리 유입구를 갖는 표준 인젝터에 7 개의 물 밸브 (water valve) 가 부가되는 경우를 예로서 나타내고, 밸브 또는 밸브들이 개방됨에 따라 표 1 에 나타낸 바와 같이 인젝터 내로 도입되는 오직 슬러리에 의해 연마되는 웨이퍼와 비교해서 제거 레이트의 상당한 변화가 관찰된다. 그러나, 제거 레이트의 단순한 변화는 오퍼레이터에게 균일성에 관해 어떠한 것도 통지하지 않으며, 이것은 연마의 완료시에 디스크 표면의 반사계에 의해 판정된다. 도 4, 도 5 및 도 6 으로부터, 밸브 구성을 변화시킴으로써, 웨이퍼의 2 개의 수직 배향에서 측정되는 웨이퍼 직경을 가로질러 보다 균일한 제거 레이트가 분명히 획득됨이 용이하게 관찰된다. 불균일성 및 퍼센트 불균일성에 대한 수치들이 표 1 에 포함되어 있다. 일련의 연마 테스트 및 반사계 관찰을 통해 니들 밸브들을 조절함 으로써, 특정 레이트로 도입된 특정 슬러리에 대해 최적 밸브 설정을 결정하고 인젝터를 본질적으로 교정하여 최적의 제거 레이트 성능을 제공할 수 있을 것이다. 이러한 팩터는 고유의 슬러리 낭비의 절감 및 신선한 슬러리의 감소된 소모와 함께 본 발명이 종래기술보다 상당히 개선되게 한다.
희석액의 조성과 농도에 있어서의 보다 큰 유연성 및 기계화된 피드백 루프들의 부가와 같은 추가적인 변화는, CMP 성능을 최적화하거나 또는 개선시키는 추가적인 수단을 제공한다. 최적의 성능을 제공하는 특정한 설정은 경우에 따라 변하며 그것은 중요하지 않음이 강조되어야 한다. 특정한 시스템에 있어서의 그러한 특정한 설정들을 구하는 프로세스는 본 발명의 구성요소들 중 하나이고 과제가 된다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 발명자는, CMP 프로세스에 있어서 슬러리의 보다 효율적인 이용, 그리고 웨이퍼 아래에 보다 새로운 슬러리가 운반되고 그 슬러리의 분배가 균일하여 웨이퍼 표면의 연마시의 균일성을 개선시키는 것을 보장하는, 연마 패드와 웨이퍼 사이에 슬러리를 도입하는 보다 효율적인 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 발명자는 패드 상으로 균등한 분배의 슬러리가 주입될 수도 있도록 미국 특허 출원 제12 262,579호에 기재된 인젝터의 상단 상의 다수의 개구들을 통해 슬러리 및 희석액 흐름을 조절하는 방법을 고안하였고, 보다 더 구체적으로, 연마 또는 슬러리의 분배가 균일한지를 판정하고 연마 또는 슬러리의 분 배가 균일하지 않은 경우에 연마 또는 슬러리의 분배를 신속하고 효율적으로 조절하기 위해 시스템을 측정하는 센서 및 피드백 시스템을 고안하였다.
보다 구체적으로, 이 장치는 솔리드 초승달형 인젝터를 포함하고, 이 솔리드 초승달형 인젝터의 오목한 트레일링 에지는 1 인치까지의 갭을 가지고 연마 헤드 또는 웨이퍼의 리딩 에지의 형상 및 크기와 일치하고, 솔리드 초승달형 인젝터는 가벼운 하중을 가지고 연마 패드 상에 놓이고, 그 저부면은 연마 패드에 대향되는데 이 저부면은 본질적으로 평평하고 연마 패드의 표면에 평행하거나 그것과 접촉하고, 솔리드 초승달형 인젝터를 통해 도입되는 CMP 슬러리 또는 그 성분들은, 일 단부 상에 부착된 다수의 관을 통해 일반적인 슬러리 공급 시스템일 수도 있는 슬러리 성분 소스 또는 슬러리 소스로 도입되고, 그리고 타 단부 상에 부착된 다수의 관을 통해 솔리드 초승달형 인젝터의 상단에서의 유입구들로 도입되고, 솔리드 초승달형 인젝터의 길이를 따라 연장되는 내부 분배 채널 또는 레저보를 통해 그리고 솔리드 초승달형 인젝터의 저부를 통해, 웨이퍼에 의해 터치되는 연마 패드의 그 일부에 걸쳐 이동하고, 여기서 슬러리는 솔리드 초승달형 인젝터의 저부에서의 다수의 개구들을 빠져나가고, 박막 내의 연마 패드 표면 위에 확산되고, 슬러리의 대부분 또는 전부가 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 도입되는 것을 보장하기에 충분히 작은 양으로 웨이퍼의 리딩 에지를 따라 연마 패드의 표면과 웨이퍼의 접합부에 도입되고, 그리고 챔버로의 슬러리 또는 희석액 또는 다른 유체의 흐름을 제어하기 위한, 초승달 디바이스들의 상단 상의 다수의 라인들, 구체적으로 밸브들, 보다 구체적으로 조절가능한 니들 밸브들에, 센서 시스템, 구체적으로 솔리드 초승 달형 인젝터의 트레일링 에지와 웨이퍼의 리딩 에지 사이의 패드의 표면 상의 슬러리 농도를 관찰하는 시스템이 설치된다.
본 발명의 방법은, 당업계의 현상태에 응답하여, 구체적으로, CMP 도구에 대해 현재 이용가능한 CMP 슬러리 공급 시스템에 의해 아직 완전히 해결되지 않은 당업계에서의 필요성 및 문제점에 응답하여, 개발되었다. 따라서, 본 발명의 전반적인 목적은 종래기술의 단점을 개선시키는 CMP 슬러리 주입 방법을 제공하는 것이다.
이 방법의 목적은 슬러리 주입이 최적 미만인 정도까지 연마 패드 및 웨이퍼 사이의 공간에의 보다 효과적인 슬러리 주입을 허용하고, 그것을 조절하여 제거 레이트의 균일성을 개선함과 동시에 슬러리 사용을 최적화할 수 있도록 최적 조건을 달성하는 것이다.
CMP 슬러리는, 구리 또는 텅스텐 또는 다른 재료로 도금된 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 화합물 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼에 있어서 웨이퍼의 금속 표면을 마모시키고 평탄화하며, 이후 반도체 표면 자체를 평탄화하는 것이 보다 가능하도록 신선한 (희석되기 이전의) 슬러리이어야 한다. 원칙적으로, 오래된 슬러리 또는 물이 제어되지 않은 양 및 많은 양의 새로운 슬러리와 혼합하게 되고, 이 혼합물의 대부분은 웨이퍼 아래에서 사용되지도 못한채 연마 패드로부터 처분되는 경우, 슬러리의 상당한 낭비가 있고 결국 웨이퍼 아래로 들어간 슬러리가 완전히 효과적이지 않다. 또한, 제어되지 않은 슬러리의 희석은 연마 레이트를 불균일하게 한다. 하지만, 인젝터에서의 특정의 제어된 슬러리의 희석은, 웨이퍼의 리 딩 에지의 각 부분 아래로 들어가는 슬러리의 양이 동일해질 수 있도록, 그렇지 않다면 조절되어 연마 프로세스의 요구를 충족할 수 있도록, 심지어 슬러리를 흐르게 할 수 있다.
CMP 패드의 제작자 및 사용자는 슬러리 폐기를 최소화하고 슬러리 주입 효율 및 도포된 슬러리의 품질의 일관성을 최대화하여 가장 비용 효과적이며 고품질인 웨이퍼 연마를 획득할 필요가 있다. 또한, 제작자들은 웨이퍼에 걸친 제거 레이트의 우수한 균일성이 합리적으로 가능한 것을 획득할 필요가 있다.
CMP 에서 웨이퍼의 상이한 영역에 대한 표면 제거 레이트의 불균일성 문제는 여러번 그 분야에 알려졌으며, 심지어 슬러리의 흐름 또는 분배의 문제도 가진다.
본 발명은 연마 패드 표면 상에 새롭게 첨가된 슬러리로부터 사용된 슬러리 및 잔류하는 물의 물리적 분리를 유지함으로써, 가능한 많은 양의 새로운 슬러리를, 다량의 슬러리 아니면 그 대부분이 사용되지도 않은채 구심력에 의해 연마 패드의 에지로부터 버려지는 웨이퍼의 리딩 에지 앞의 선수파에서가 아니라, 웨이퍼와 연마 패드 사이의 갭에서 끝내는 것을 보장함으로써, 그리고 슬러리가 웨이퍼로 다량 전달되고 웨이퍼 표면의 균일한 연마로 안내되는 그 리딩 에지를 따르는 로케이션으로 전달되며, 그 외에 슬러리의 디바이스로의 도입을 위한 다수의 개구가 이용되고 각종 농도의 슬러리, 또는 희석액 또는 다른 유체의 흐름을 제어하는 수단이 설치되고, 연마 동안 또는 연마 이후 이들 디바이스에 대해 조절을 수행하여 연마 패드의 랜드 영역 상에 새로운 슬러리의 균일한 분배를 획득하고 차례로 웨이퍼 전체에 걸쳐 보다 균일한 제거 레이트를 획득하는 것을 보장함으로써, 종래 기술의 문제점을 극복한다.
본 발명의 슬러리 인젝터의 사용을 통해서, 슬러리의 적합한 할당 및 제거 레이트의 보다 우수한 균일성과 함께 일관되고, 효과적이며, 감소된 체적 사용을 용이하게 달성할 수 있고, 그와 함께 연마 웨이퍼 품질도 개선시킬 수 있다.
이후 본 발명에서 부품에 대한 모든 치수는 직경 약 20" ~ 30" 의 패드 크기 및 직경 [8"] ~ [12"] 인 웨이퍼 크기에 기초하며, 사용되는 연마 패드 및 웨이퍼의 크기 변화에 비례하여 필요에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 주어진 특정 치수는 결코 한정적이지 않으며 예시로써 본 발명의 유효한 실시형태를 나타내는 것이다.
본 발명은 연마 패드 및 웨이퍼 사이의 효율적인 슬러리 도입을 위한 방법을 포함하며, 종래 기술의 CMP 연마 방법의 특징인 슬러리 폐기물을 대부분 제거하면서, 조절되어 웨이퍼 연마 균일성으로 최적 안내될 수 있는 다량으로, 항상 연마 패드 표면에서, 미사용 및 비희석된 보다 순수한 슬러리의 사용을 허용하고, 그리고 추가로 CMP 연마 장비의 오퍼레이터가 웨이퍼 및 연마 패드 사이의 슬러리 도입에 대한 상당한 제어를 허용한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 US 특허 출원 12 262579 의 디바이스를 사용하는 반도체 웨이퍼의 화학 기계적 연마에서 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하는 방법을 포함하고, 이 디바이스는 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 를 포함하며, 인젝터 (10) 의 오목한 트레일링 에지 (12) 는 0 ~ 1 인치의 갭 (42) 을 가지고 웨이퍼 (28) 의 리딩 에지 (14) 의 크기 및 형상에 합치하고, 인젝터 (10) 는 가벼운 하중으로 연마 패드 (26) 상에 놓이고, 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 은 본질적으로 평탄하고 연마 패드 (26) 의 표면 (36) 에 평행하고, 그리고 인젝터 (10) 를 통한 CMP 슬러리 또는 그 성분은 다수의 관 (18) 과, 흐름 제어 디바이스 (19) 및 또한 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 상단 (76) 에서의 유입구 (20) 에 부착된 다른 적합한 전달 수단을 통해서 도입되고, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 길이를 따라 채널 또는 레저보 (22) 를 통해 상기 채널 또는 레저보 (22) 의 저부 (78) 까지 흐르며, 여기서 CMP 슬러리 또는 그 성분은 그 저부 (16) 에서의 다수의 개구 (24) 를 통해 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 를 빠져나가고, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 상기 저부 (16) 와 연마 패드 (26) 사이에서 프레스되고, 박막으로 확산되며, 그리고 웨이퍼 (28) 의 리딩 에지 (14) 를 따라 웨이퍼 (28) 및 연마 패드 (26) 의 표면 (36) 의 접합부, 바람직하게는 패드의 그루브들 (32) 사이의 "랜드" (30) 영역 상에, 슬러리의 전부 또는 대부분이 웨이퍼 (28) 및 연마 패드 (26) 사이에 도입되도록 충분히 작은 양으로 도입되고 충분히 얇은 막으로 도입되며, 이로써 사용된 슬러리가 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 리딩 에지 (34) 에서의 제 2 선수파 (45) 에서 그 농도에 의해 새롭게 주입된 슬러리로부터 보다 효과적으로 계속해서 분리된다.
슬러리 또는 유체를 위한 다수의 유입구 (20) 가 사용된다면, 이들은 모두 동일하거나 또는 크기, 용량 또는 구성이 상이할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 주요 슬러리 유입구 및 다수의 다른 유입구가 사용된다. 주요 슬러리 유입구 이외의 유입구는 각각 슬러리를 운반할 수 있거나 또는 물 또는 다른 희 석수 또는 유체를 임의의 조합이나 구성으로 운반할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 주요 슬러리 유입구 또는 유입구들은 슬러리를 인젝터에 도입하고, 남은 유입구들은 물 또는 다른 희석액 또는 유체를 인젝터에 도입한다. 이 실시형태에서는, 상기의 다른 유입구들에 의한 희석된 슬러리 또는 물의 도입이 바람직하고, 물의 도입이 보다 바람직하다. 이러한 추가 유입구의 개수는 특별히 제한되지 않으며, 인젝터에 채널이 장착되는 경우, 추가 유입구 (20) 가 상기 채널로 직접적으로 슬러리, 희석된 슬러리, 물 또는 다른 희석액을 직접 도입하는 것을 허용할 수 있거나 또는 상기 유입구의 일부 또는 전부가 슬러리 인젝터 (10) 의 리딩 또는 트레일링 에지의 방향으로 패널을 우회할 수 있으며, 그리고 슬러리, 희석된 슬러리, 물 또는 다른 희석액을 연마 패드 표면 상에 직접적으로 도입하는 것을 허용한다. 인젝터에 제 2 평행 분배 채널이 장착될 수 있으나, 이것은 연마 패드에의 슬러리 도포에서의 조절을 보다 어렵게 하고 그리고 특히 물과 같은 저 점도 희석액의 국부적인 도포에 대한 제어를 가능한한 줄이는 추가적인 복잡함을 유도한다. 본 발명의 상이한 실시형태에서, 모든 유입구는 채널로 직접 들어갈 수 있거나, 모든 유입구는 인젝터의 저부면을 통해서 연마 패드의 표면에 유체를 직접 공급할 수 있거나, 또는 유입구들의 임의의 조합을 이용할 수도 있다. 채널이 사용되는 경우, 비희석된 슬러리의 적어도 일부의 도입이 바람직하고, 비희석된 슬러리 모두의 채널로의 도입이 보다 바람직하다. 이 경우, 희석액의 일부 또는 전부는 유입구를 통해서 인젝터의 저부면을 통하여 연마 패드 표면으로 직접 도입될 수 있다. 첫번째 또는 주요 비희석된 슬러리 유입구 이외에 이러한 유입구 의 수는 특별히 제한되지 않지만, 1 ~ 20 개의 유입구가 바람직하고, 3 ~ 10 개의 유입구가 보다 바람직하며, 5 ~ 8 개의 유입구가 특히 바람직하다. 어떤 유입구 또는 모든 유입구 (20) 에 흐름 제어 디바이스 (19) 가 설치될 수 있다. 이러한 유입구를 생성하는 수단은 특별히 제한되지 않으며, 임의의 적합 수단이 채택될 수 있다. 하지만, 인젝터를 통한 드릴 (drill) 에 의해 유입구 (20) 를 제작하는 것이 바람직하다. 관들 (18) 및 흐름 제어 디바이스 (19) 는 임의의 적합한 수단 및 접착제의 사용에 의해 유입구에 부착될 수 있고, 또는 적절한 경우 바브 (barb) 또는 볼팅 (bolting) 이 바람직하다. 흐름 제어 디바이스가 슬러리, 희석된 슬러리, 물 또는 다른 희석액을 연마 패드의 표면 상에 직접 도입하는 경우, 상기 흐름 제어 디바이스는 인젝터로부터 돌출되지 않아야 하고, 연마 패드에 접촉하지 않아야 하거나 또는 자체적으로 물리적으로 슬러리 분배를 간섭해야 한다.
흐름 제어 디바이스 (19) 는 파워 및 신호 릴레이 케이블 (도시하지 않음) 에 부착될 수 있으며, 차례로 데이터 프로세싱 센터 (도시하지 않음) 를 이끈다. 모든 흐름 제어 디바이스가 각각에 대해 동일한 유량을 유지하도록 설정될 수 있는 것이 가능한 반면, 유입구 (20) 사이에서의 유량이 독립적으로 변할 수 있음도 본 발명에 의해 고려된다. 본 발명의 중요하고 필요 불가결한 엘리먼트는, 흐름 제어 디바이스 (19) 를 사용하여 유입구 (20) 에서의 유량을 조절하여, 연마 패드 상의 최적의 슬러리 분배, 폐기물 최소화, 및 동시에 제거 레이트 최적화를 획득하는 것이다. 이 조절은 임의의 연마 작동 이후 또다른 작동 이전에 니블 밸 브를 조절함에 의해서일 수 있거나, 작동 중 수행될 수도 있다. 흐름 제어 디바이스 (19) 중 하나를 전체적으로 또는 부분적으로 개방되게 함으로써, 또는 흐름 제어 디바이스 (19) 중 하나 이상을 부분적으로 또는 전체적으로 개방되게 함으로써 조절될 수 있으며, 나머지 흐름 제어 디바이스 (19) 는 폐쇄되어 있다. 조절은, 부분적으로 개방되어 있는 하나의 어떤 흐름 제어 디바이스 (19) 또는 모든 흐름 제어 디바이스 (19) 를 수반할 수 있고, 그들을 모두 동일한 양으로 개방시키거나 부분적으로 개방시킬 수 있다. 조절은, 임의의 또는 모든 흐름 제어 디바이스 (19) 가 폐쇄될지 또는 부분적으로 또는 전체적으로 개방될지를 바꿀 수 있고, 부분적일 경우에는 어느 정도까지 개방한다. 조절은, 작동 사이 또는 작동 중에 될 수 있으며, 작동 중인 경우에는 설정 시간 제한 이내에 또는 연속적으로 될 수 있다.
부가적으로 센서 또는 센서 어레이 (도시하지 않음) 가 갭 상부에서 서스펜딩되고, 파워 및 릴레이 케이블이 제공될 수 있으며 차례로 상기 데이터 프로세싱 센터 (도시하지 않음) 를 이끈다. 슬러리, 물 및 다른 희석액 또는 유체가 임의의 순서 또는 구성 (제한 없음) 으로 슬러리 유입구 (20) 또는 흐름 제어 디바이스 (19) 를 위한 임의의 유입구들을 통해 도입될 수 있고, 도입된 유체의 조성은 일정하거나 또는 시변할 수 있다.
연마 도구로서는, 임의의 적당한 회전 연마 도구가 사용될 수도 있다. 특히, 현존하는 회전 연마 도구들은 본 발명의 장치로 개장될 수도 있다. CMP 시 사용에 적당한 임의의 연마 패드 (26) 가 이용될 수 있다. 또한, CMP 시 사 용에 적당한 임의의 다이아몬드 컨디셔너 디스크 (도시하지 않음) 가 사용될 수도 있다.
슬러리의 경우, 임의의 적용 가능한 CMP 슬러리가 이용될 수도 있고, 예를 들어, 실리카계 및 알루미나계 슬러리들 중 어느 하나 또는 양자 모두가 이용될 수도 있다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 는, 유입구 (20), 트레일링 초승달 에지 (12), 리딩 초승달 에지 (34), 개구 (24), 채널 및 레저보 (22) 를 포함하거나, 적용가능하다면 부분적으로 결합되는 임의의 적당한 수단 또는 층들에 의해 형상화된 솔리드 블록으로서 CMP 프로세스에 적당한 금속, 플라스틱, 세라믹 또는 유리와 같은 임의의 경질 재료 (hard material) 로 구성될 수도 있다. 내부 채널 또는 레저보 (22), 및 리딩 초승달 에지 (34) 와 트레일링 초승달 에지 (12) 를 결합하기 위해 적절한 형상으로 컷팅된 폴리카보네이트 시트의 층 (56) 들에 의한 구성이 바람직하다. 이것은 폴리카보네이트 시트들이 비용 효율이 높고, 가벼우며 내구적이기 때문이고 폴리카보네이트의 투명성이 오퍼레이터로 하여금 폴리카보네이트가 사용되는 내부 채널이나 레저보 (22) 에서의 슬러리의 조건을 관찰하게 하기 때문이라는 것 모두가 사실이다. 층 (56) 들이 사용되는 한, 접착제 및 볼트 (80) 를 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 적당한 방법이 이용되어 층 (56) 들을 함께 유지할 수도 있고, 볼트 (80) 가 바람직하다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 오목한 트레일링 에지 (12) 는 웨이퍼 (28) 의 리딩 에지 (14) 의 크기 및 형상에 맞춰진다. 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 트레일링 에지 (12) 는 웨이퍼 (28) 의 리딩 에지 (14) 에 대한 형상 및 치수에 매칭할 수도 있거나 기계적 간섭을 회피하도록 곡선에 있어서의 변동이 존재할 수도 있다. 특히 갭 (42) 이 작은 매칭 에지가 바람직하다. 초승달형 인젝터 (10) 의 길이 (혼 (horn) (44) 들의 정점들 사이의 차이) 는 웨이퍼 (28) 의 리딩 에지 (14) 를 실질적으로 커버하도록 충분하여야 하며, 또는 연마되는 웨이퍼 (28) 의 직경에 따라 4 인치 내지 18 인치이어야 한다. 임의의 형상화 수단이 사용될 수도 있으나, 폴리카보네이트 시트들이 이용되는 경우, 컷팅에 의해 달성된 형상화가 바람직하다.
웨이퍼 (28) 와, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 트레일링 에지 (12) 사이의 가장 넓은 곳에서의 거리가 1 인치까지 이어야 한다. 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 리딩 에지 (14) 는 초승달 형상이나 장방형 형상일 수도 있거나 CMP 프로세스와 최소로 간섭하고, 동시에 사용되는 슬러리 채널 또는 레저보 (22) 의 충분한 용량을 허용하며, 적당한 제 2 선수파를 생성하여 사용되지 않은 새로운 슬러리와 혼합하기 전에 연마 패드 (26) 으로부터 사용된 슬러리를 제거할 수 있는 임의의 다른 적당한 형상일 수도 있다.
연마 패드 (26) 상에 놓여 있는 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 하중은 1 내지 10 lb 이상이고, 일반적으로 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 과 연마 패드 (26) 사이의 평균 갭 (42) 이 웨이퍼 (28) 와 연마 패드 (26) 사이의 평균 갭 (42) 에 작은 배수 내로 동등하도록 충분한 압력을 인가하기에 족하다. 후자는 10 미크론 내지 25 미크론이도록 자주 측정되나, 보다 크거나 보다 작은 갭 (82) 도 가능하다.
연마 패드 (26) 와 마주보는 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 은 평평하고 평활할지라도, 필요에 따라 텍스쳐링 (texturing) 되고, 그루빙 (grooving) 되거나 형상화 (shaping) 될 수도 있다. 저부면 (16) 은 본질적으로 연마 패드 (26) 의 표면 (36) 과 평행이지만, 필요한 경우, 피치 또는 뱅크에 있어서의 변동이 행해질 수 있다. 갭 (82) 은 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 의 평탄화에 의해 조절될 수 있다. CMP 슬러리 또는 그 성분들은 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 상단에서의 하나 이상의 개구 (52) 들을 통해 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 로 도입된다. 저부면 (16) 에서의 개구 (24) 들의 개수 및 크기는 한정되지 않으나, 0.01 인치 내지 0.125 인치의 직경이 바람직하고 40 개 내지 160 개의 개구 (24) 들이 바람직하다. 위치 및 개수에 있어서의 상기 개구 (24) 들은 연마 패드 (36) 상의 "랜드 (land)" (30) 영역들에 대응하는 것이 바람직하고, 각 "랜드" (30) 영역 위에 하나의 개구 (24) 가 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 개구 (24) 들의 선형 배열로 한정되지 않고, 그들은 직선 또는 곡선을 따라 배열되는 것이 바람직하다. 개구 (24) 들은 서로 어떠한 위치 및 이격 거리에 적당하게 있더라도 연마 패드 (36) 상의 랜드 (30) 바로 위에 있도록 배치되어야 한다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 에 슬러리, 물, 및 다른 희석액 또는 유체들을 도입하는 수단은 특별히 한정되지 않으나, CMP 도구의 슬러리 또는 물 또는 다른 희석액 공급 시스템에 접속된 관 (18) 이 바람직하다. 관 또는 관들 (18) 은 임의의 적당한 수단에 의해 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 에 부착될 수도 있으나, 퀵 커넥트 커플링 (54) 이 바람직하다. 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 상단에서의 주요 슬러리 유입구 개구 (inlet opening) (20) 의 포지셔닝에 대해서, 임의의 포지셔닝 또는 패턴이 사용될 수도 있으나, 연마 패드 (26) 상의 한 지점이 웨이퍼 (28) 아래서 가장 긴 트랜싯 시간 (transit time) 을 갖는 반경과 일치한 위치가 바람직하다. 본 발명의 흐름 제어 디바이스 (19) 는 특별히 한정되지 않는다. 펌프와 밸브를 포함한 관에서 슬러리의 흐름을 제어하기에 적당한 임의의 디바이스가 사용될 수도 있다. 관 (18) 의 일부 또는 전부에 대해 니들 밸브가 사용되는 것이 바람직하다. 니들 밸브의 위치는 한정되지 않고 관 (18) 상의 임의의 지점에 있을 수도 있으나, 관 (18) 과 슬러리 유입구 (20) 내부 사이의 단부에 니들 밸브 (19) 를 설치하는 것이 바람직하다. 니들 밸브 또는 다른 흐름 제어 수단의 위치는 본 명세서에 기재되는 바와 같이 채널 내에 또는 직접적으로 인젝터를 통해 연마 패드에 있을 수도 있다. 인젝터를 따른 흐름 제어 수단 또는 니들 밸브들의 분배는 특별히 한정되지 않으나, 본 명세서에 서술되는 바와 같이 임의의 패턴으로 균등하게 이격되거나 분배될 수도 있고, 균등하게 이격된 분배가 바람직하다. 니들 밸브는 올바른 수단에 의해 제어될 수도 있고, 오퍼레이터는 수동으로 또는 기계적으로 그들을 제어하거나 로봇 또는 컴퓨터 제어에 의해 기계적으로 처리할 수도 있다.
채널 또는 레저보 (22) 의 크기와, 이것이 좁은 채널 또는 레저보 (22) 인지 여부는 유입구 또는 유입구들 (20) 의 포지셔닝 시 고려되어야 한다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 는 임의의 적당한 수단에 의해 이루어질 수도 있으나, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 가 임의의 적당한 수단에 의해 함께 결합되는, 형상화되거나 컷팅된 경질 재료의 3 개 층들 (56), 또한 바람직하게 3 개의 폴리카보네이트 시트들로 구성되는 방법이 바람직하다. 층 (56) 들은 동일 또는 상이한 두께일 수도 있고, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 가 너무 약해 CMP 연마의 혹독함을 지탱할 수 없게 얇거나, 방해되고 적용될 수 없게 두껍지 않은 임의의 두께가 사용될 수도 있고, 각 층 (56) 에 대해 0.17 인치의 균일한 층 (56) 두께가 바람직하다.
상기 층 (56) 들이 사용되는 경우, 그들은 균일한 두께일 수도 있고 베벨링될 수도 있고, 채널 또는 레저보 (22) 가 사용되는 경우, 특히 중간층이 다양한 두께의 채널 또는 레저보 (22) 를 생성하도록 베벨링될 수도 있어, 결국 이것이 바람직하다. 균일한 두께의 층 (56) 들이 바람직하다. 인젝터의 저부면에 슬러리를 도입하는 라인 또는 채널 (22) 들은 인젝터를 통한 직접 채널일 수도 있고, 분기될 수도 있거나, 특히 3 개 층의 경우에 중간층 (86) 의 보다 넓은 섹션을 제거함으로써 만들어진 채널 또는 레저보 (22) 를 구비할 수도 있다. 이러한 채널 또는 레저보 (22) 가 이용될 경우에, 채널 또는 레저보 (22) 의 형상은 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 와 본질적으로 동일한 형상일 수도 있고, 이것은 계란형 또는 알형 또는 단순한 채널 또는 임의의 다른 적당한 균일한 형상일 수도 있다. 채널 또는 레저보 (22) 는 어느 단부에 블리드 밸브 (bleed valve) (88) 를 가져 슬러리가 도입될 때 공기를 제거해야 한다.
유량계 (flow meter) 또는 다른 적당한 센서들이 부가되어 바람직하게 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 로의 진입 지점 전에 슬러리 흐름을 모니터링할 수도 있다.
채널 또는 레저보 (22) 가 사용되는 경우, 인젝터의 중앙에 중심된 본질적 계란 형상을 갖는 레저보 또는 측면 경계 (90) 들이 솔리드 초승달형 인젝터의 외부 측면 경계들 (14)(34) 로부터 고정된 거리에 있는 채널 또는 레저보 (22) 가 바람직하다.
채널 또는 레저보 (22) 의 상부면 (60) 및 하부면 (62) 은 평행하고 평평할 수도 있고, 서로에 대해 약간의 평각 (planar angle) 에 있을 수도 있거나 약간 라운딩될 수도 있다. 채널 또는 레저보 (22) 의 평행하고, 평활하고 평평한 상부면 (60) 및 하부면 (62) 이 바람직하다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 에서 슬러리가 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 를 빠져나가는 개구 (24) 들은 임의의 형상 및 크기일 수도 있으나, 라운드 형상 또는 계란 형상이 바람직하고, 라운드 형상이 보다 바람직하다. 출구 개구 (exit opening) (24) 들의 직경은 임의의 직경일 수도 있으나, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 상의 총 68 개의 개구 (24) 들에 대해, 약 0.0625 인치의 직경이 바람직하다. 개구 (24) 들은 저부면 (16) 에 수직으로 또는 직각으로 이루어질 수도 있다. 개구 (24) 들은 임의의 적당한 수단에 의해 이루어질 수도 있으나 드릴링 (drilling) 이 바람직하다. 임의의 포지셔닝 및 패턴이 사용될 수도 있으나, 랜드 (30) 영역들의 반경에 대응하고 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 트레일링 에지 (12) 의 곡선과 그 앞의 약 1/4 인치를 추종하는 개구 (24) 들의 곡선 간격이 바람직하다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 를 통한 슬러리의 유량은 연마 패드 (26) 의 중심으로부터 상기 유입구 또는 유입구들 (20) 의 반경 거리에 대해서 유입구 또는 유입구들 (20) 의 위치에 의해 영향을 받는다. 결과적으로, 상기 배출구 (24) 들의 크기, 형상, 입사각 및 밀도 패턴뿐만 아니라 상기 유입구 또는 유입구들 (20) 의 위치는 흐름 조건들을 최적화하도록 조절될 수도 있다. 슬러리는 중력 (gravity) 흐름에 의해 또는 펌핑에 의해 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 내의 채널 또는 레저보 (22) 로 도입될 수도 있다. 슬러리가 펌핑에 의해 도입되는 경우, 레이트는 한정되지 않으나, 68 개의 개구 (24) 들에 대해 약 50 ml/min 이상 또는 개구 (24) 마다 약 0.73 ml/min 이상의 레이트가 바람직하다.
연마 패드 (26) 상의 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 위치는 임의의 적당한 디바이스의 수단에 의해 유지될 수 있으나, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 가 부착되는 로드 (66) 를 구비한 빔 (64) 이 바람직하다. 빔 (64) 또는 로드 (66) 는 CMP 프로세스의 혹독함을 견딜 만큼 강해야 하고, 직경 또는 두께가 0.25 인치 내지 0.75 인치이어야 한다. 그들의 성분 재료로서는 스테인레스 스틸이 바람직하다. 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 는 세정되거나 마모시 교체될 수도 있도록 로드 (66) 로부터 탈착가능해야 한다. 또한, 이것은 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 들을 상이한 연마 패드 (36) 그루브 지오메트리 (groove geometry) 에 대응하는 상이한 홀 패턴들로 교체하는 것을 허용한다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 와, 로드 (66) 또는 본 발명의 다른 지지 수단 사이의 접촉점은 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 피치 또는 뱅크가 약간 조절되거나 이동될 수도 있도록 짐벌 (68; gimbal) 이다. 로드 (66) 의 상단은 고정 나사 (74) 와 같은 임의의 적당한 수단에 의해 CMP 도구의 지지 메커니즘에 고정될 수도 있다. 결합 스프링 (70) 및 칼라 (72) 를 이용하여 하중이 인가되어 로드 (66) 에 대해 고정 나사 (74) 를 죄기 전에 하중이 고정될 수도 있거나, 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 상단면 (76) 상에 자중 (50; dead weight) 이 배열되어 고정 나사 (74) 를 죄기 전에 하중을 적용할 수도 있다. 칼라 (72) 는 분리된 고정 나사 (73) 에 의해 로드 (66) 에 고정된다. 적당한 하중 센서는 동작 중에 하중을 판정하도록 부착될 수도 있다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 로 슬러리, 경우에 따라, 물 또는 다른 희석액 또는 유체들이 펌핑되는 경우, 임의의 적당한 유량이 이용될 수도 있고, 예를 들어, 슬러리 또는 물 또는 다른 희석액 또는 유체들이 분당 30-300cc 의 레이트로 펌핑될 수도 있다.
솔리드 초승달형 인젝터 (10) 와 로드 (66) 사이의 부착점에서의 짐벌 (68) 디바이스는 로드 (66) 의 축 주위의 회전을 허용함 없이 피치 및 뱅크 각도의 조절을 허용하는 임의의 적당한 짐벌 (68) 디바이스일 수도 있다. 이것은 고정된 조절일 수도 있거나 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 는 연마 패드 (26) 의 표면 (36) 에 대항해 평평하게 놓이도록 자연스럽게 조절하도록 허용될 수도 있다. 이러한 짐벌 (68) 피쳐는 오퍼레이터로 하여금 슬러리의 매우 얇은 막을 꾀하고 이렇게 함으로써 슬러리가 연마 패드 (26) 상에 또는 위에 놓여 있기 때문에 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 의 평평한 배향을 잃지 않고 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 리딩 에지에서 선수파 (46) 로 사용된 슬러리를 효과적으로 분리하게 한다.
본 발명에서 사용되는 센서들 또는 센서 어레이 (25) 는 연마 동안 실시간으로 각 랜드 (30) 상의 슬러리 양을 정확하게 관찰하고 보고할 수 있는 임의의 센서 또는 센서 어레이일 수도 있다. 새로운 슬러리의 보다 낮은 온도를 관찰하는 적외선 센서들이 바람직하다.
본 발명의 방법은 관 (18) 상의 흐름 제어 디바이스 (19) 가 패드 (30) 의 리딩 에지 앞의 패드의 랜드 (10) 상의 슬러리 농도를 최적화하거나 그렇지 않으면 조작하도록 조절되어 슬러리 소비가 최적화되고 제거 레이트의 균일성이 최대화될 수도 있는 임의의 방법일 수도 있다. 슬러리 출력의 최적화 및 제거 레이트의 균일성의 최대화를 결정하는 수단은 특별히 한정되지 않으나, 시각 검사와 센서 검사가 사용될 수도 있고, 슬러리 관찰을 위해서는 센서 검사가 바람직하고, 제거 레이트의 측정을 위해서는 반사계의 사용이 바람직하다. 흐름 제어 디바이스를 얼마나 조절할지에 대한 판정은 오퍼레이터에 의해 행해질 수도 있거나, 소프트웨어 루틴에 의해 자동화될 수도 있다. 소프트웨어 루틴이 바람직하다. 실제 조절은 특별히 한정되지 않고, 자동 또는 수동일 수도 있고, 자동 조절이 바람직하다.
연마가 시작되고 슬러리 주입이 개시되는 경우, 흐름 제어 디바이스 (19) 의 초기 설정은 관 (18) 을 통해 희석액의 동일한 유량에 기초하거나 경험이나 계산에 기초한 소정의 다른 밸런스일 수도 있다. 흐름 제어 디바이스 (19) 의 조절은 순차 또는 동시 또는 일부 이들의 조합 (예를 들어 동시에 조절되는 선택된 흐름 제어 디바이스들의 그룹) 일 수도 있고, 연속적으로 또는 실행 완료 후 다음 실행 전의 간격으로 할 수도 있다. 데이터 처리 유닛에서의 조절 및 응답을 기록함으로써 특정 웨이퍼, 슬러리 및 조건에 대한 데이터 덩어리가 축적될 수도 있다.
본 발명의 희석액의 정확한 조성은 한정되지 않으나, 물 또는 일부 다른 수용액 또는 단순하게 물 또는 일부 다른 적당한 유체로 희석된 슬러리가 사용되는 것이 바람직할 수도 있다. 다수의 슬러리 유입구들 (20) 또는 추가적 흐름 제어 디바이스 (19) 를 구비한 슬러리 유입구 (20) 가 사용되는 경우, 보통 CMP 시 사용되는 동일 농도에서의 동일 슬러리가 다수의 슬러리 유입구 (20) 또는 흐름 제어 디바이스 (19) 를 통해 적용될 수도 있음이 관찰될 것이다. 이러한 다수의 유입구들 (20) 및 흐름 제어 디바이스 (19) 의 사용은 2 개 이상의 효과를 갖는다. 슬러리의 점도 또는 화학적 조성 또는 활성도 (activity) 를 잠재적으로 변경하는 희석액의 사용을 허용하는 것 외에, 이러한 다수의 유입구 (20) 및 흐름 제어 디바이스 (19) 는 만약 메인 슬러리 유입구로부터 멀리 있을 수 있는 인젝터의 부분들로 슬러리의 주입을 허용하게 하고, 이것은 심지어 희석액이 사용되지 않고 슬러리의 농도, 결국, 점도가 인젝터 채널의 전체에서 동일한 경우 인젝터의 상이한 부분들을 통해 슬러리 흐름에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 대안으로, 이들 추가적 유입구들이 전적으로 인젝터의 바디를 통해 배치되는 경우, 자신의 채널 내의 슬러리의 이동이나 농도에 더 이상 영향을 미치지 않더라도, 패드의 표면 상의 슬러리의 농도가 선택적으로 변경되어 이번에는 패드 상의 슬러리의 활성도를 변경하고 제거 레이트에 있어서의 변화를 유도한다. 이 경우에, 인젝터 채널의 상이한 부분들을 통과하는 슬러리 양이 영향을 받지 않더라도, 공급 후의 슬러리의 농도는 영향을 받는다. 중요한 것은 패드 상의 슬러리의 농도 및 이로써 제거의 레이트를 제어하는 것이 가능하다는 점이다. 본 실시형태에서 원하는 바는 패드의 특정 영역과 접촉하는 물, 희석된 슬러리 또는 다른 희석액의 양에 대한 보다 정확한 제어를 허용하는 점이며, 이것은 일부 상황에서 제거 레이트의 보다 구체적 조절을 허용한다.
실시예들
본 발명의 실시는 다음의 실제 실시예들의 언급에 의해 한정됨 없이 설명된다.
다음의 실제 실시예들의 경우, Araca Incorporated APD-500 200㎜ CMP 연마 도구에 Rohm and Haas IC-10-A2 CMP 패드가 부착되었고, 또한 Mitsubishi Materials Corporation TRD 컨디셔닝 디스크도 부착되었다. 길이가 약 6.5 인치이고 직경이 0.3125 인치인 스테인레스 스틸 샤프트는 CMP 도구의 지지 메커니즘에 클램핑된 조절가능한 빔에서의 홀에 끼워졌다. 로드를 따라 칼라와 지지 메커니즘 사이에 스프링이 배치되었고, 그 스프링이 압축되었으며, 칼라는 로드에 대한 고정 나사로 부착되었다. 고정 나사는 인젝터를 통해 패드의 표면에 스프링으로부터의 힘을 전달하는 효과를 갖는다. 또한, 조절가능한 빔에서의 로드에 대해 분리된 고정 나사는 하중을 고정하고 로드가 자신의 축에 대해 회전하는 것을 방지하기 위해 지지 메커니즘에 로드를 부착하도록 사용되었다.
인젝터는 혼부터 혼까지 약 10 인치이고, 직경이 11.125 인치이고 폭이 1 인치인 연마 헤드에 대응하는 트레일링 에지 반경을 갖는 3 개의 동일한 초승달 형상들 [도 1] 을 생성하도록 밴드 쏘우 (band saw) 를 이용하여 함께 컷팅된 청결한 3 장의 폴리카보네이트 (GE Plastics XL 10, 0.17 인치 두께) 시트들로 제조되었다. 초승달 형상들의 볼록 (리딩) 에지 근처의 측면 상에 약 2 인치의 간격으로 그리고 중앙에서 약 4 인치 이격된 4 개의 볼트 홀들이 드릴링되었고, 이들 폴리카보네이트 시트들 중 하나 (저부) 에서 압입 나사모양 알루미늄 너트를 수용하도록 3/8 인치 직경에서 약 0.1 인치의 깊이까지 홀들이 리세싱되었다. 직경이 1/2 인치인 홀은 짐벌 메카니즘을 수용하도록 다른 2 개의 폴리카보네이트 시트들 (상단과 중간) 을 관통하게 드릴링되고 저부 시트의 절반이 드릴링되었다. 중간 시트에서, 긴 분배 채널이 약 1/4 인치 등거리의 거리에서 혼들의 1/4 인치 내까지 그리고 중간 시트의 오목 트레일링 에지의 전면에 시트의 길이까지 컷팅되었다. 채널은 폭이 1/8 인치이었다.
연마 패드의 도움으로 구성된 개별 템플릿을 이용하여 68 개의 홀들이 패드 상의 랜드 영역들과 홀들을 정렬시키는데 필요한 가변 간격으로 저부층을 통과해 채널의 진행에 따라 (1/16 인치 직경) 드릴링되었다. 홀들은 시트들의 표면에 수직이었다. 마지막으로, 3/8 인치 직경의 유입구 홀이 상단 시트에 드릴링되었고, 알루미늄 유입구 관, 4 인치 배관 섹션 및 연마 장치로 사용된 배관에 부착 을 위해 적당한 퀵 커넥터가 설비되었다. 0.089 인치 직경의 7 개의 추가 홀들은 내부 채널에 대한 액세스를 통해 슬러리 흐름을 우회하고 결국 방해하거나 영향을 미치지 않도록 채널의 리딩 에지보다 인젝터의 리딩 에지에 보다 가깝게 약 1/8 인치 위치에서 슬러리 인젝터를 완전히 관통하게 균등한 간격으로 드릴링되었다. 내부 채널에 평행인 곡선 상의 대략 중앙점에 4 번째 홀이 배치되었다. 첫 번째 및 일곱 번째 홀은 내부 채널의 내측 단부와 외측 단부에 평행인 동일한 라인에 대해 약 1/2 인치 짧게 배치되었다. 이들 홀들 각각에서, 신속하게 한번에 삽입된 니들 밸브를 유지하도록 출구 측, 삽입될 부분 상에 바브 (barb) 및 립 (lip) 을 갖는 동일한 직경의 Airtol model NV-30-3-K 니들 밸브가 배치되었다. 실제 실시예들의 개시를 위해 이들 밸브들을 모두 잠갔고, 표 1 에 표시되는 바와 같이 개방하였다. 밸브들이 완전히 폐쇄되지 않았던 경우, 그들은 완전히 개방되고 부분적으로 폐쇄된 밸브들은 이들 테스트에서 이용되지 않았다.
시트들은 에지들이 서로 균등하게 되고, 저부 시트에서의 리세스들에 너트들을 배치하여 볼팅함으로써 인젝터를 만들도록 함께 고정되었다. 조립 전에, 방수 유리섬유 강화 양면 접착 클로스 (3M) 으로부터 컷팅된 개스킷 (gasket) 이 중간 시트의 상단과 저부에 부착되었다. 뱅크와 피치의 자유 조절을 허용하나 로드의 축에 대해 회전을 허용하지 않는 짐벌 메커니즘은 인젝터의 상단에서의 1/2 인치 홀 내에 배치되고, 금속 핀으로 고정되었고, 로드에 부착되었다. 슬러리 공급관은 상단 시트의 유입구 관에 부착되었고, 7 개의 니들 밸브들에 0.175 인치 외경을 갖는 플라스틱 관이 부착되었고, 이들 7 개의 관들은 물 분배 매니폴드에 모두 접속되었으며, 이것은 다음으로 물 공급부에 접속되었다. 이들 관 및 니들 밸브들을 통한 물의 유량은 물 공급 매니폴드에 대한 탈이온수의 소스로서 연동식 (peristalsic) 펌프의 사용에 의해 결정되었다. 인젝터의 트레일링 에지는 연마 헤드의 리딩 에지로부터 약 0.5 인치이도록 조절되었고, 그 위치는 인젝터의 저부 상의 홀들이 패드 상의 "랜드" 영역들과 일렬로 정렬하도록 또한 조절되었다.
실시예 1 - 실시예 13. 50 내지 200 cc/min 의 물의 유량과 10 RPM 내지 80 RPM 의 평탄화 회전 속도를 이용한 인젝터의 무결성 (integrity) 및 안정성의 성공적 예비 테스트 후에, 연마 테스트를 다음과 같이 실행하였다: 탈이온수와, 패드의 수명 동안 패드 표면의 평탄도를 최적화하도록 설계되는 "가장 잘 알려진 방법" 의 컨디셔닝 스윕 (conditioning sweep) 을 이용한 Araca Incorporated APD-500 연마 장치에 새로운 3M A165 100 그릿 (grit) 컨디셔닝 디스크를 이용하여 1 시간 동안 새로운 Rohm and Haas IC-10-A2 패드가 컨디셔닝되었다. 그 후, 테트라에톡시실란 소스로부터 증착된 실리콘 이산화물의 층을 갖는 200 ㎜ 직경의 웨이퍼들 (TEOS 웨이퍼로 알려짐) 은 55 RPM 의 평탄화 회전 속도와 53 RPM 의 캐리어 회전 속도를 갖는 Fujimi PL4072 발연 실리카 슬러리의 90 cc/min 어플리케이션을 이용한 인 시튜 (in situ) 컨디셔닝 (연마 중 컨디셔닝) 으로 1 분 동안 4 PSI 에서 연마되었다. 웨이퍼들 사이에 린스가 이용되지 않았다.
제거 레이트를 측정하는데 이용될 웨이퍼 ("레이트 웨이퍼 (rate wafer)") 를 연마하기 전에, 사용된 ("더미 (dummy)") TEOS 웨이퍼가 수분 동안 처리되었고, 그 후 평균 마찰률이 안정화할 때까지 1 분 동안 일련의 11 개 TEOS 더미들이 연마 되었다. 물 흐름 없이 그리고 90 cc/min 의 슬러리 흐름을 가지고 레이트 웨이퍼가 작동되어 베이스라인과 COF, 전단력 변화, 제거 레이트를 제공하였다. 표 1 에는 절대 불균일성 및 퍼센트 불균일성이 계산되고 보고되었다. 니들 밸브들의 각각을 통해 그러나 나머지 밸브들이 닫힌 상태로 분당 30ml 의 물의 유량에서 그리고 밸브 2 에 대해 분당 40ml 의 유량과 분당 50ml 의 유량에서 그리고 밸브 4 에 대해 분당 40ml 의 유량과 분당 50ml 의 유량에서 처리되는 2 개의 레이트 웨이퍼들의 각각에 대한 2 개 직경 스캔들로부터 반사계를 이용하여 측정된 평균 제거 레이트들이 기록되었고, COF, 전단력 변화, 절대 불균일성 및 퍼센트 불균일성이 계산되었고, 실시예 1 내지 실시예 11 로서 표 1 에 보고된다. 그 후, 물 흐름 없이 그리고 90 cc/min 의 슬러리 흐름을 가지고 레이트 웨이퍼는 다시 작동되어 베이스라인과 COF, 전단력 변화, 제거 레이트를 제공하였다. 절대 불균일성 및 상대 불균일성이 산출되어 표 1 에 보고되었다. 이후, 밸브 3, 밸브 4 및 밸브 5 가 개방되고, 50ml/min 의 전체 물 흐름이 3 개의 밸브를 동시에 지났고 (실시예 12), 밸브 3, 밸브 4 및 밸브 5 가 개방되고, 75ml/min 의 전체 물 흐름이 3 개의 밸브를 동시에 지났고 (실시예 13), 그 결과가 표 1 에 기록되었다.
Figure 112009076774914-PAT00001
도 1 은 인젝터의 위에서부터 본 도면.
도 2 는 패드 위의 인젝터의 측단면도.
도 3 은 피드백 시스템의 차트.
도 4 는 90 ㎖/min 슬러리 흐름 (물 없음) 에 의한 베이스라인 작동에서의 디스크를 가로지른 제거 레이트의 그래프.
도 5 는 90 ㎖/min 슬러리 흐름 및 30 cc/min 물 흐름으로 개방된 니들 밸브 3 에 의한 제거 레이트의 그래프.
도 6 은 90 ㎖/min 슬러리 흐름 및 50 cc/min 물 흐름으로 개방된 니들 밸브 3, 4 및 5 에 의한 제거 레이트의 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
도 1 은 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 및 웨이퍼의 평면도이다.
10 : 솔리드 초승달형 인젝터
12 : 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 오목한 트레일링 에지
14 : 웨이퍼
18 : 슬러리 공급관
19 : 흐름 제어 디바이스들
20 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 상단에서의 슬러리 유입구
21 : 흐름 제어 디바이스들을 위한 배관
22 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 내의 슬러리를 운반하기 위한 채널 또는 레저보이고, 본 실시형태에 있어서 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 바디는 투명 폴리카보네이트 시트들로 이루어지기 때문에 시인가능함.
23 : 물 또는 슬러리 또는 희석액 공급 매니폴드
26 : 연마 패드
28 : 웨이퍼의 리딩 에지
34 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터의 리딩 에지
40 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 를 함께 결합시키는 볼트
42 : 솔리드 초승달형 인젝터 (10) 의 트레일링 에지 (12) 와 웨이퍼 (26) 의 리딩 에지 (14) 사이의 갭
44 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 단부에서의 혼 (horn)
46 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 리딩 에지 (34) 의 전방에서의 제 2 선수파 (bow wave) (본 발명은 갭 (42) 내에 일반적으로 형성되는 제 1 선수파를 효과적으로 제거함에 유념)
54 : 관 (18) 을 슬러리 소스 (도시하지 않음) 에 접속시키는 퀵 커넥트 (quick connect)
66 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 를 유지하는 로드 (rod)
68 : 로드 (66) 가 설치되는 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 에 부착된 짐벌 (gimbal)
도 2 는 기본 미가중된 (unweighted) 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 측면도이고, 여기에 나타내지 않은 번호는 도 1 에서와 동일하다.
16 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 저부면
24 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 저부면 (16) 에서의 개구들
30 : 연마 패드의 상부면 상의 랜드 영역들
32 : 랜드 영역들 (30) 사이의 그루브들
36 : 연마 패드 (26) 의 상부면
52 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 에 슬러리를 넣기 위한 개구
56 : 이 실시형태에서의 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 가 부설되는 층들
60 : 채널 또는 레저보 (22) 의 상부면
62 : 채널 또는 레저보 (22) 의 하부면
64 : 솔리드 초승달형 인젝터를 지지하는 연마 도구 (도시하지 않음) 로부터의 빔
70 : 전체 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 상의 하중 (load) 을 설정하기 위한 스프링
72 : 로드 (66) 상에 스프링 (70) 을 유지하기 위한 칼라 (collar)
73 : 칼라 (72) 에 대한 고정 나사 (set screw)
74 : 로드 (66) 를 빔 (64) 에 유지하기 위한 고정 나사
76 : 솔리드 초승달 슬러리 인젝터 (10) 의 상단면
도 3 은 피드백 시스템의 차트이다.
도 4 는 실시예들과 관련하여 이루어진 90 ㎖/min 슬러리 흐름 (물 없음) 에 의한 베이스라인 작동에서의 디스크를 가로지른 제거 레이트의 그래프이다.
도 5 는 실시예 2 로부터 90 ㎖/min 슬러리 흐름 및 30 cc/min 물 흐름으로 개방된 니들 밸브 3 에 의한 제거 레이트의 그래프이다.
도 6 은 실시예 12 로부터 90 ㎖/min 슬러리 흐름 및 50 cc/min 물 흐름으로 개방된 니들 밸브 3, 4 및 5 에 의한 제거 레이트의 그래프이다.

Claims (41)

  1. 반도체 웨이퍼들의 화학 기계적 연마시에 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 주입하는 방법으로서,
    솔리드 초승달형 인젝터 (solid crescent shaped injector) 의 오목한 트레일링 에지 (concave trailing edge) 는 0 내지 3 인치의 갭을 가지고 연마 헤드의 리딩 에지 (leading edge) 의 형상 및 크기에 맞춰지고, 그 저부면은 상기 연마 패드에 대향되고, 상기 솔리드 초승달형 인젝터는 가벼운 하중 (load) 을 가지고 상기 연마 패드 상에 놓이고, 그리고
    상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상단에서의 하나 이상의 개구를 통해 CMP 슬러리 또는 그 성분들이 도입되어, 채널 또는 레저보 (reservoir) 를 통해 디바이스의 길이를 따라 저부로 이동하는 것을 포함하고,
    상기 CMP 슬러리 또는 그 성분들은 상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상기 저부에서의 다수의 개구들을 빠져나가고, 박막 내로 확산되고, 상기 슬러리의 대부분 또는 전부가 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 도입되기에 충분히 작은 양으로 상기 웨이퍼의 리딩 에지를 따라 상기 연마 패드의 표면과 상기 웨이퍼의 접합부에 도입되고,
    상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상기 저부면을 통해 상기 연마 패드에 직접 그리고 상기 채널에서의 상이한 지점들로의 유체의 도입을 위한 다수의 유입구들이 이용되고, 상기 유입구들의 일부 또는 전부에 유체의 흐름을 제어하는 수단이 설치 되고, 연마 동안 또는 연마 후에 상기 흐름 제어 수단을 조절하여 상기 웨이퍼의 표면으로의 슬러리 공급을 조절하여 상기 웨이퍼 표면에서의 제거 레이트의 균일성을 개선시키는, 슬러리를 주입하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 개구들의 개수는 2 내지 10 개인, 슬러리를 주입하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 중 적어도 하나는 상기 채널로의 슬러리의 도입을 위한 것인, 슬러리를 주입하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 전부는 상기 채널에 슬러리, 희석된 슬러리 또는 희석액을 도입하는, 슬러리를 주입하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 중 일부는 상기 채널에 슬러리, 희석된 슬러리 또는 희석액을 도입하고, 나머지 유입구들은 상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상기 저부면을 통해 상기 연마 패드에 직접 슬러리, 희석된 슬러리 또는 희석액을 도입하는, 슬러리를 주입하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 중 하나 이상은 상기 채널에 슬러리를 도입하고, 나머지 유입구들은 상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상기 저부면을 통해 상기 연마 패드에 희석된 슬러리 또는 다른 희석액을 도입하는, 슬러리를 주입하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    다양한 농도의 슬러리 또는 희석액에 관한 상기 흐름 제어 수단은 밸브인, 슬러리를 주입하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    밸브는 니들 밸브 (needle valve) 인, 슬러리를 주입하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 전부는 슬러리의 도입을 위한 것인, 슬러리를 주입하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 전부를 통해 도입된 슬러리는 농도 및 조성이 균일한, 슬러리를 주입하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상이한 유입구들을 통해 상이한 슬러리가 도입되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상이한 유입구들을 통해 도입된 슬러리는, 동일한 슬러리이지만 유입구에 따라 희석의 레벨 또는 농도가 상이한, 슬러리를 주입하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 상이한 유입구들을 통해 도입된 슬러리는, 유입구에 따라 희석의 레벨 또는 농도가 상이한, 슬러리를 주입하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 슬러리는 물로 희석되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 슬러리는 물로 희석되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 슬러리 유입구에는 흐름 제어 수단이 설치되지 않은, 슬러리 를 주입하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    하나의 유입구를 제외한 모든 유입구들은 상기 채널에 희석액을 도입하고, 상기 하나의 유입구는 상기 슬러리 유입구인, 슬러리를 주입하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    모든 희석액 유입구들 및 하나의 슬러리 유입구를 제외한 모든 슬러리 유입구들에는 흐름 제어 수단이 설치되어 있는, 슬러리를 주입하는 방법.
  19. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 슬러리의 농도는 시간 경과에 따라 유입구마다 또는 일반적으로 변화될 수도 있는, 슬러리를 주입하는 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 슬러리의 조성은 시간 경과에 따라 변화될 수도 있는, 슬러리를 주입하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단의 조절은 기계적으로 수행되는, 슬러리를 주입하는 방 법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단의 조절은 수동으로 수행되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단의 조절은, 상기 웨이퍼 표면으로부터의 제거 레이트 또는 상기 연마 패드 표면 상의 슬러리의 온도 또는 양을 나타내는 센서 또는 센서 어레이에 의해 획득된 데이터의 분석 결과에 따라 CMP 동작 동안 이루어지는, 슬러리를 주입하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 센서 또는 센서 어레이는, 상기 웨이퍼와 상기 솔리드 초승달형 인젝터 사이의 갭에 주입된 슬러리의 온도를 측정하기 위한 적외선 센서 또는 센서 어레이인, 슬러리를 주입하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 결과는, 비쥬얼 또는 오디오 출력에 의해 상기 센서 또는 센서 어레이로부터 획득되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    센서 데이터는, 전자 신호에 의해 상기 센서 또는 센서 어레이로부터 획득되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    센서 데이터는 분석되고, 특정 유입구 또는 유입구들에서의 유량의 증가 또는 감소가 슬러리의 분배를 최적화함에 따라 제거 레이트의 균일성 및 크기를 최적화할 것이라는 것을 나타내는, 슬러리를 주입하는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    센서 데이터 분석 피드백이 수동으로 적용되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    센서 데이터 분석 피드백이 기계적이고 자동인, 슬러리를 주입하는 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단은 밸브이고, 상기 밸브의 조절은 센서 데이터에 기초하여 데이터 프로세싱 피드백 출력에 따라 기계적으로 수행되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  31. 제 23 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단은 니들 밸브이고, 상기 니들 밸브의 조절은 센서 데이터에 기초하여 데이터 프로세싱 피드백 출력에 따라 기계적으로 수행되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  32. 제 23 항에 있어서,
    니들 밸브의 조절은 마이크로스텝다운 모터 (microstepdown motor) 에 의해 기계적으로 수행되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단의 조절은, 웨이퍼 또는 웨이퍼들 상의 제거 레이트의 균일성의 판정 후에 후속 웨이퍼들에 대해 이루어지는, 슬러리를 주입하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제거 레이트의 균일성은 반사계 (reflectometer) 에 의해 판정되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단은 밸브인, 슬러리를 주입하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 밸브는 니들 밸브인, 슬러리를 주입하는 방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 유입구들 중 하나 이상에는 니들 밸브가 설치되지 않고, 상기 니들 밸브가 설치되지 않은 유입구 또는 유입구들은 슬러리의 도입을 위한 것이며, 니들 밸브가 설치된 나머지 유입구들은 희석액 또는 희석된 슬러리의 도입을 위한 것인, 슬러리를 주입하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    희석액 또는 희석된 슬러리가 고정 레이트로 도입되는 제 1 니들 밸브를 제외한 모든 니들 밸브가 폐쇄된 조건 하에서 하나의 웨이퍼가 연마되고,
    연마되는 각각의 연속 웨이퍼에 대해, 초기의 니들 밸브 구성의 제거 결과의 균일성에 기초하여, 적절히 조절된 총 유량에서 완전히 개방된 니들 밸브의 조합 후, 필요에 따라, 전부 폐쇄된 니들 밸브, 부분적으로 개방된 니들 밸브 및 완전히 개방된 니들 밸브를 수반하는 구성이 최종적으로 이어져 최적의 제거 레이트를 달성하는 후속 연마가 작동된 후에, 모든 니들 밸브가 작동되기 전까지, 이전에 사용된 니들 밸브는 폐쇄되고, 다음 밸브는 완전히 개방되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  39. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절의 결과가 반사계에 의해 연마 작동들 사이에서 측정되고,
    상기 웨이퍼로부터 상기 채널에 대향되는 방향으로, 상기 채널의 리딩 에지의 에지로부터 1/8 인치로 균등하게 이격된 7 개의 물 유입구들 및 90 ㎖/cm 유량으로 설정된 하나의 슬러리 유입구가 존재하고,
    상기 물 유입구들은 상기 솔리드 초승달형 인젝터를 통해 상기 솔리드 초승달형 인젝터의 상기 저부면까지 모두 개방되고, 니들 밸브들이 장착되고,
    상기 니들 밸브들의 조절은 수동이고, 상기 연마 패드의 중심에 가장 가까운 제 1 니들 밸브를 제외한 모든 니들 밸브들이 완전히 폐쇄된 조건 하에서 웨이퍼가 연마되고, 상기 제 1 니들 밸브를 통해 30 ㎖/min 으로 물이 도입되고,
    연마되는 각각의 연속 웨이퍼에 대해, 초기의 니들 밸브 구성들의 제거 레이트 결과의 균일성에 기초하여, 적절히 조절된 총 유량에서 다수의 완전히 개방된 니들 밸브의 구성들을 조건으로 하여 후속 연마 작동들을 수행한 후, 최종적으로, 전부 폐쇄된 니들 밸브, 부분적으로 개방된 니들 밸브 및 완전히 개방된 니들 밸브를 이용하는 니들 밸브 구성들을 조건으로 하여 연마 작동을 수행하여 최적의 제거 레이트를 달성한 후에, 7 개의 니들 밸브들 모두가 테스트될 때까지, 이전에 사용된 니들 밸브는 폐쇄되고, 상기 연마 패드의 중심으로부터 떨어져 있는 다음 밸브가 동일 유량으로 완전히 개방되는, 슬러리를 주입하는 방법.
  40. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구들 전부는 균등하게 이격되어 있는, 슬러리를 주입하는 방법.
  41. 제 13 항에 있어서,
    상기 흐름 제어 수단이 설치된 유입구들은 균등하게 이격되어 있는, 슬러리를 주입하는 방법.
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