KR20140143501A - 화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 시스템 및 방법에 관한 것으로, 하나의 웨이퍼에 대하여 제1화학기계적 연마공정과 제2화학기계적 연마공정을 포함하는 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 화학 기계적 연마 시스템으로서, 상기 제1화학기계적 연마공정이 행해지는 제1연마정반과 상기 제2화학기계적 연마공정이 행해지는 제2연마정반을 포함하여 배열된 다수의 연마 정반과; 웨이퍼를 파지한 상태로 이동하여 상기 연마 정반에서 파지된 웨이퍼가 상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정을 행하도록 상기 웨이퍼를 이동하는 다수의 웨이퍼 캐리어와; 상기 웨이퍼 캐리어에 웨이퍼를 로딩하는 로딩 유닛과; 상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정이 종료된 웨이퍼를 상기 웨이퍼 캐리어로부터 언로딩하는 언로딩 유닛과; 제1화학기계적 연마공정이 행해진 웨이퍼의 연마면이 액체와 접촉하여 젖음 상태를 유지하도록 상기 연마 정반의 사이에 배치된 웨팅 배스(wetting bath)를; 포함하여 구성되어, 웨이퍼의 손상을 최소화하면서 웨이퍼의 화학적 연마 정확성을 향상시킨 화학 기계적 연마 시스템 및 이를 이용한 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 화학 기계적 연마 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 웨이퍼에 대하여 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 데 있어서 웨이퍼의 손상을 최소화하면서 웨이퍼의 화학적 연마 정확성을 향상시키는 화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 미세한 회로선이 고밀도로 집적되어 제조됨에 따라, 이에 상응하는 정밀 연마가 웨이퍼 표면에 행해진다. 웨이퍼의 연마를 보다 정밀하게 행하기 위해서는 기계적인 연마 뿐만 아니라 화학적 연마가 병행되는 화학 기계적 연마 공정(CMP공정)이 도1에 도시된 화학 기계적 연마 장치(9)를 이용하여 행해진다.
즉, 연마 정반의 상면에는 웨이퍼(W)가 가압되면서 맞닿는 연마 패드(11)가 연마 정반과 함께 회전(11d)하도록 설치되어, 화학적 연마를 위해 공급 유닛(50)의 슬러리 공급구(52)를 통해 슬러리가 공급되면서, 마찰에 의한 기계적 연마를 웨이퍼(W)에 행한다. 이 때, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의해 정해진 위치에서 회전(20d)하여 정밀하게 평탄화시키는 연마 공정이 행해진다.
연마 패드(11)의 표면에 도포된 슬러리는 도면부호 40d로 표시된 방향으로 회전하면서 아암(41)이 41d로 표시된 방향으로 선회 운동을 하는 컨디셔너(40)에 의해 연마 패드(11) 상에서 골고루 퍼지면서 웨이퍼(W)에 유입되도록 하면서, 연마 패드(11)는 컨디셔너(40)의 기계적 드레싱 공정에 의해 일정한 연마면을 유지한다.
이와 같은 화학 기계적 정밀 연마 공정은 웨이퍼(W)에 대하여 하나의 연마 정반(10) 상에서 종료되는 경우도 있지만, 최근 반도체 소자의 집적화에 따라 웨이퍼(W)의 재료나 요구되는 평탄도에 따라 하나의 웨이퍼(W)에 대하여 2회 이상의 서로 다른 조건에서 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 추세에 있다.
이 경우에는 하나의 웨이퍼(W)가 여러 연마 정반 상에 위치하여 화학 기계적 연마 공정을 각각 행해지게 되므로, 효율적으로 이를 수행할 수 있도록 하는 방안이 모색되고 있다. 이를 위하여, 대한민국 공개특허공보 제2001-49569호의 "화학 기계적 연마기용 웨이퍼 전달 스테이션"에 따르면, 회전 가능하게 설치된 카로셀(102)에 다수의 연마 헤드가 장착되어, 이 연마 헤드에 각각 웨이퍼가 적재되어 카로셀(102)이 회전하는 것에 의해 각각의 연마 정반 상에 연마 헤드를 위치시켜, 웨이퍼를 연마하는 구성이 개시되어 있다. 그러나, 이 구성은 카로셀과 연마 헤드 사이의 상대 위치가 고정되어 있으므로, 카로셀이 회전하면서 연마 헤드에 장착된 웨이퍼를 각각의 연마 정반에서 동시에 연마할 수 있지만, 각 연마 정반에서 행해지는 화학 기계적 연마 공정의 소요 시간이 다른 경우에는 짧은 시간 동안 행해진 화학 기계적 연마 공정을 마친 웨이퍼는 연마 공정이 종료된 이후에 해당 연마 패드 상에서 대기해야 하는 문제가 발생된다. 그러나, 대기 시간이 길어지는 경우에는 웨이퍼의 건조로 인하여 웨이퍼 불량이 야기되는 심각한 문제가 있었다. 따라서, 각 연마 정반에서 행해지는 화학 기계적 연마 공정을 자유자재로 소요 시간이 조절되는 형태로 행할 수 없는 문제가 있었다.
또한, 각 연마 정반에서 행해지는 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 슬러리가 다른 경우에는, 이전에 사용된 슬러리가 웨이퍼에 묻어 그 다음에 행해지는 연마 정반 상으로 운반되어, 새로 공급되는 슬러리와 혼합되므로, 새로운 슬러리에 의한 화학 기계적 연마 공정이 완전히 행해지지 못하는 한계도 있었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 웨이퍼가 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 거치는 경우에, 각 화학 기계적 연마 공정의 소요 시간이 서로 다르고 사용되는 슬러리가 다르더라도, 건조에 의한 웨이퍼의 손상이 발생되지 않으면서 웨이퍼의 연마 정확성을 향상시키는 화학 기계적 연마 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 동시에, 본 발명은, 반도체 패키지의 제조 현장 라인에서 좁은 공간만을 차지하면서도, 웨이퍼의 이송 효율이 향상되어 단위 시간당 처리량을 높이는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하나의 웨이퍼에 대하여 제1화학기계적 연마공정과 제2화학기계적 연마공정을 포함하는 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 화학 기계적 연마 시스템으로서, 상기 제1화학기계적 연마공정이 행해지는 제1연마정반과 상기 제2화학기계적 연마공정이 행해지는 제2연마정반을 포함하여 배열된 다수의 연마 정반과; 웨이퍼를 파지한 상태로 이동하여 상기 연마 정반에서 파지된 웨이퍼가 상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정을 행하도록 상기 웨이퍼를 이동하는 다수의 웨이퍼 캐리어와; 상기 웨이퍼 캐리어에 웨이퍼를 로딩하는 로딩 유닛과; 상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정이 종료된 웨이퍼를 상기 웨이퍼 캐리어로부터 언로딩하는 언로딩 유닛과; 제1화학기계적 연마공정이 행해진 웨이퍼의 연마면이 액체와 접촉하여 젖음 상태를 유지하도록 상기 연마 정반의 사이에 배치된 웨팅 배스(wetting bath)를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템을 제공한다.
이와 같이, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 정반의 사이에 웨팅 배스(wetting bath)를 배치하여, 웨이퍼의 연마면이 액체와 접촉하여 젖음 상태를 유지시킴으로써, 웨이퍼의 연마면이 건조되어 웨이퍼의 불량이 야기되는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다.
특히, 상기 제1화학기계적 연마공정에 소요되는 제1공정시간이 상기 제2화학기계적 연마공정에 소요되는 제2공정시간에 비하여 더 짧거나, 상기 제1화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리와 상기 제2화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리가 서로 다른 경우에, 웨팅 배스를 웨이퍼 캐리어가 이동하는 방향을 기준으로 제1연마정반의 일측과 타측 중 어느 하나 이상에 배치시킴으로써, 제1화학기계적 연마공정을 행한 웨이퍼가 그 다음에 행해질 제2화학기계적 연마공정을 위하여 대기하는 동안 확실하게 웨이퍼의 연마면을 젖음 상태로 유지할 수 있으며, 동시에 제1화학기계적 연마 공정에 사용되었던 슬러리를 완전히 제거하여 웨이퍼를 깨끗하게 한 이후에 제2화학기계적 연마공정에 투입되도록 할 수 있다.
이 때, 웨팅 배스의 위치는 제1화학기계적 연마공정이 이루어지는 제1연마정반과 제2화학기계적 연마공정이 이루어지는 제2연마정반 사이에 위치하지 않고, 제1연마정반의 (이동방향을 기준으로) 후방에 위치하더라도 무방하다. 이에 의하여, 제1연마정반에서 제1화학기계적 연마공정을 행한 이후에 남는 대기 시간 동안, 웨이퍼 캐리어가 후방으로 이동하여 웨팅 배스에서 머므른 이후에, 대기 시간이 경과한 후 제1연마정반을 가로질러 제2연마정반으로 이동하는 형태로 될 수 있다.
한편, 상기 다수의 웨이퍼 캐리어는 순환 경로를 서로 독립적으로 이동하면서 순환하고, 상기 다수의 연마 정반과 상기 웨팅 배스는 상기 순환 경로 상에 배열될 수 있다. 이를 통해, 웨이퍼 캐리어의 이동 경로를 최소화하면서 연속적으로 이동할 수 있으며, 순환 경로에 배치된 연마 정반에서 연마 공정을 행하고 필요에 따라 웨팅 배스에서 웨이퍼 연마면이 손상되거나 불량이 되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 웨팅 배스의 위치는 각 연마 정반마다 하나씩 배치될 수 있다. 이에 의하여, 각각의 연마 정반에서 행해지는 화학기계적 연마공정의 소요 시간과 슬러리의 차이에 무관하게 웨이퍼의 다단계 형태의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있게 된다.
상기 웨팅 배스는 상기 웨이퍼 캐리어에 웨이퍼가 파지된 상태로 상기 웨이퍼의 연마면이 순수에 잠기게 하도록 구성될 수 있다.
상기 로딩 유닛과 상기 언로딩 유닛은 하나의 로봇 아암으로 형성되어, 하나의 로봇 아암의 이동으로 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 함께 함으로써, 로봇 아암의 이동 경로를 최소화하여 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 연마 정반은 4개로 이루어지고, 상기 순환 경로는 원형으로 이루어져, 4가지 형태의 서로 다른 화학 기계적 연마 공정을 좁은 공간 내에서 행할 수 있게 된다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 하나의 웨이퍼에 대하여 제1화학기계적 연마공정과 제2화학기계적 연마공정을 포함하는 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 화학 기계적 연마 방법으로서, 웨이퍼를 다수의 웨이퍼 캐리어 중 어느 하나에 로딩하는 웨이퍼 로딩 단계와; 상기 웨이퍼 캐리어를 서로 독립적으로 이동시켜 상기 제1화학기계적 연마공정이 행해지는 제1연마정반 상에서 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 파지되어 있는 상기 웨이퍼에 대한 연마를 행하는 제1연마단계와; 상기 제1연마단계가 행해진 이후에 상기 웨이퍼 캐리어가 이동하여 상기 웨이퍼의 연마면을 젖은 상태로 유지시키는 웨이퍼 웨팅 단계와; 상기 웨이퍼 캐리어를 이동시켜 상기 제2화학기계적 연마공정이 행해지는 제2연마정반 상에서 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 파지되어 있는 상기 웨이퍼에 대한 연마를 행하는 제2연마단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
이 때, 상기 다수의 웨이퍼 캐리어는 순환 경로를 서로 독립적으로 이동하면서 순환하고, 상기 다수의 연마 정반은 상기 순환 경로 상에 배열되어, 웨이퍼가 순환 경로를 따라 이동하면서 순차적으로 다단계의 화학 기계적 연마 공정을 이동 경로를 최소화하여 보다 높은 공정 효율로 행할 수 있게 된다.
상기 제1화학기계적 연마공정에 소요되는 제1공정시간이 상기 제2화학기계적 연마공정에 소요되는 제2공정시간과 서로 다르게 설정될 수 있다. 그리고, 상기 제1화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리와 상기 제2화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리가 서로 다르게 정해질 수 있다. 이와 같더라도, 웨팅 배스에 의하여 대기 중인 웨이퍼의 연마면이 젖음 상태를 유지할 수 있고, 슬러리가 제거되므로 서로 다른 공정 시간 및 슬러리의 차이에도 웨이퍼의 불량없이 화학 기계적 연마 공정을 마칠 수 있게 된다.
한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '웨팅 배스'는, 웨이퍼의 연마면이 액체 내에 잠기어 연마면의 젖음 상태를 유지하는 구성에 국한되지 않으며, 수용조(배스)를 연마면 하측에 위치시킨 상태로 액체를 공급하여 웨이퍼의 연마면을 젖음 상태로 유지하는 구성을 포함하는 것으로 정의하기로 한다.
본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 정반의 사이에 웨팅 배스(wetting bath)를 배치하여, 웨이퍼가 그 다음에 행해질 화학 기계적 연마 공정을 기다리는 대기 시간 동안에 웨이퍼의 연마면을 액체에 담그어 젖은 상태를 유지하고, 웨이퍼에 묻은 슬러리를 씻어내도록 구성되어, 웨이퍼의 연마면이 건조되어 웨이퍼의 불량이 야기되거나 슬러리가 혼합되어 의도된 화학 기계적 연마 공정이 이루어지지 않는 문제를 해결하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 여러 단계에 걸쳐 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 하나의 연마 정반에서 오류가 발생되어 다수의 연마 정반 상의 웨이퍼가 그다음 화학 기계적 연마 공정으로 이동하지 못하는 동안이더라도, 웨이퍼를 웨팅 배스에 두어 젖음 상태를 유지함으로써, 웨이퍼가 건조되어 손상되는 것을 최소화할 수 있는 잇점도 얻어진다.
이를 통하여, 건조에 의한 웨이퍼의 손상이 발생되지 않으면서 웨이퍼의 연마 정확성을 향상시키는 잇점이 있다.
그리고, 본 발명은, 원형 경로를 따라 웨이퍼가 이동하면서 단계적으로 화학 기계적 연마 공정을 행함에 따라, 반도체 패키지의 제조 현장 라인에서 좁은 공간만을 차지하면서도, 웨이퍼의 이송 효율이 향상되어 단위 시간당 처리량을 높일 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 평면도
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 평면도,
도3은 도2의 웨팅 배스의 구성을 도시한 단면도,
도4a 내지 도4c는 도2의 화학 기계적 연마 시스템을 이용한 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템(9)을 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템(1)은, 하나의 웨이퍼(W)에 대하여 제1화학기계적 연마공정(이하, '화학 기계적 연마'를 'CMP'라고 함) 내지 제4의 CMP공정을 순차적으로 행하는 다수의 연마 정반(100)과, 연마 정반(100)을 잇는 순환 경로를 따라 설치된 가이드 레일(90)을 따라 이동하는 다수의 웨이퍼 캐리어(200)와, 웨이퍼 캐리어(200)에 웨이퍼(W)를 로딩/언로딩하는 로봇 아암(300)을 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(100)은 원형 순환 경로를 따라 설치된 가이드 레일(90)의 하측에 제1의 CMP공정과, 제2의 CMP공정과, 제3의 CMP공정과, 제4의 CMP 공정이 순차적으로 이루어지는 제1연마정반(101), 제2연마정반(102), 제3연마정반(103), 제4연마정반(104)으로 이루어진다. 경우에 따라서는 4개의 연마 정반(101-104) 중 일부의 연마 정반에서만 CMP 공정이 이루어질 수도 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 4개 이상의 연마 정반이 순환 경로를 따라 배열될 수도 있고, 3개의 연마 정반이 순환 경로를 따라 배열될 수도 있다.
상기 제1연마정반(101)에서는 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200)에 로딩된 웨이퍼(W)에 대하여 순차적으로 제1의 CMP 공정을 행한다. 제1의 CMP공정은 제1연마정반(101)에서 정반 회전 속도 및 공급되는 슬러리 종류 등이 정해진 바에 따라 제어하면서, 웨이퍼(W)를 연마시킨다. 제1연마정반(101)에서 행해지는 제1의 CMP공정을 위하여, 도1에 도시된 바와 마찬가지로 제1연마정반(101)을 덮고 있는 연마 패드를 개질시키는 컨디셔너와 슬러리 공급부가 구비된다.
상기 제2연마정반(102)에서는 제1연마정반(101)에서 제1의 CMP 공정을 행한 웨이퍼(W)에 대하여 제2의 CMP 공정을 행한다. 제2의 CMP공정은 제2연마정반(102)에서 정반 회전 속도 및 공급되는 슬러리 종류 등이 정해진 바에 따라 제어하되, 제1연마 정반(101)에서의 제1의 CMP 공정의 정반 회전 속도, 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력 및 슬러리 종류 중 일부 이상에 차이를 두면서 웨이퍼(W)를 연마시킨다. 제2연마정반(102)에서도 제2연마정반(101)을 덮고 있는 연마 패드를 개질시키는 컨디셔너와 슬러리 공급부가 구비된다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 제2의 연마 정반(102)에서 행해지는 제2의 CMP 공정이 제1의 CMP 공정과 소요 시간 및 슬러리의 종류가 동일한 것을 예로 든다.
상기 제3연마정반(103)에서는 제2연마정반(102)에서 제2의 CMP 공정을 행한 웨이퍼(W)에 대하여 제3의 CMP 공정을 행한다. 제3의 CMP공정도 역시 제3연마정반(102)에서 정반 회전 속도 및 공급되는 슬러리 종류 등이 정해진 바에 따라 제어하되, 제2연마 정반(102)에서의 제1의 CMP 공정의 정반 회전 속도, 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력 및 슬러리 종류 중 일부 이상에 차이를 두면서 웨이퍼(W)를 연마시킨다. 제3연마정반(103)에서도 제3연마정반(101)을 덮고 있는 연마 패드를 개질시키는 컨디셔너와 슬러리 공급부가 구비된다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 제3의 연마 정반(103)에서 행해지는 제3의 CMP 공정이 제1의 CMP 공정의 소요 시간 및 슬러리의 종류 중 적어도 하나가 다른 것을 예로 든다.
상기 제4연마정반(104)에서는 제3연마정반(103)에서 제3의 CMP 공정을 행한 웨이퍼(W)에 대하여 제4의 CMP 공정을 행한다. 제4의 CMP공정은 제3연마정반(103)에서 정반 회전 속도 및 공급되는 슬러리 종류 등이 정해진 바에 따라 제어하되, 제3연마 정반(104)에서의 제3의 CMP 공정의 정반 회전 속도, 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력 및 슬러리 종류 중 일부 이상에 차이를 두면서 웨이퍼(W)를 연마시킨다. 제4연마정반(104)에서도 제4연마정반(104)을 덮고 있는 연마 패드를 개질시키는 컨디셔너와 슬러리 공급부가 구비된다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 제4의 연마 정반(104)에서 행해지는 제4의 CMP 공정이 제3의 CMP 공정과 소요 시간 및 슬러리의 종류가 동일한 것을 예로 든다.
제1연마정반(101) 내지 제4연마정반(104)은 캐리어 헤드(200)의 순환 이동 경로인 가이드 레일(90)을 따라 순차적으로 배열되면서 폐루프(C) 형태를 이룬다. 그리고, 가이드 레일(90)을 따라 순환 이동하는 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205: 200)가 배치되어, 로봇 아암(300)으로부터 웨이퍼(W)를 로딩받아 제1연마정반(101) 내지 제4연마정반(104)을 순차적으로 거치면서 제1의 CMP 공정 내지 제4의 CMP 공정을 하나의 웨이퍼에 대하여 행하는 캐리어 헤드의 역할을 한다.
이를 위하여, 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200)는 레일(90)을 따라 순환 이동(200d)하면서, 연마 정반(101, 102, 103, 104)의 상측에 위치하면, 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200)에 로딩되어 파지하고 있는 웨이퍼(W)를 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100) 상에 위치시킨 후, 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200) 내부의 로터리 유니언으로 웨이퍼(W)를 가압하면서, 웨이퍼(W)에 대하여 CMP공정을 행한다. 이에 필요한 상세 구성의 일례로서, 본 출원인의 대한민국 등록특허공보 제10-1188579호, 제10-1187102호, 제10-1172590호, 제10-1172589호, 제10-1163949호의 내용을 본 명세서로 포함하며, 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어의 이동 및 CMP 공정을 행하는 구성에 관한 실시 형태는 이에 국한되지 않는다.
이를 통해, 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200)는 레일(90)을 따라 순차적으로 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100)의 상측으로 이동하면서, 로딩되어 장착된 웨이퍼(W)를 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100)에서 연마할 수 있다.
웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205; 200)의 개수는 연마 정반(100)의 개수보다 1개 또는 2개정도 더 많게 배열되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 웨이퍼 캐리어(200)에 로딩되어 있는 웨이퍼(W)가 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100)에서 CMP 공정을 행하는 도중에, 이미 예정된 다단계의 CMP 공정이 종료된 웨이퍼를 여분의 웨이퍼 캐리어으로부터 로봇 아암(300)에 의하여 언로딩하고, 다단계의 CMP 공정을 행할 새로운 웨이퍼를 로봇 아암(300)에 의하여 웨이퍼 캐리어에 로딩하여, 공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 로봇 아암(300)은 하나의 아암 끝단부에 새로운 웨이퍼를 웨이퍼 캐리어에 로딩하는 로딩부(301)와, 웨이퍼 캐리어로부터 다단계의 CMP 공정을 종료한 웨이퍼를 언로딩하는 언로딩부(302)가 함께 구비한다. 이를 통해, 보다 적은 공간을 차지하면서 웨이퍼(W)를 CMP공정에 로딩/언로딩하면서도, 로봇 아암(300)의 아암부(303)의 회전 이동 길이를 최소화하여 웨이퍼의 로딩/언로딩의 공정 효율을 향상시킬 수 있다. 다단계의 CMP 공정이 종료된 웨이퍼는 로봇 아암(300)에 의하여 CMP 공정유닛(X1)으로부터 세정 유닛(X2)으로 이송되고, 세정 유닛(X2)의 다양한 세정기(71, 72)를 순차적으로 거치면서 깨끗한 상태로 세정된다.
또한, 로봇 아암(300)의 고정점은 공간적으로 여유가 있는 세정 유닛(X2)에 위치하여, 좁은 공간 내에 CMP 공정유닛(X1)을 구성할 수 있게 되므로, 반도체 제조 라인의 공간 효율성을 향상시킨다.
상기 웨팅 배스(400)는 이전에 행한 CMP 공정과 그 다음에 행해지는 CMP 공정 간에 슬러리의 종류가 다르거나 소요 시간이 다른 경우에 그 사이에 배치되어, 웨이퍼 캐리어(200)에 의해 로딩되어 있는 웨이퍼(W)가 웨팅 배스(400)에서 젖음 상태로 유지되면서 동시에 웨이퍼(W)에 묻어 있던 슬러리를 씻어 제거한다. 이를 통해, 전후에 행해지는 CMP 공정의 소요 시간의 차이만큼 대기하는 시간 동안에 웨이퍼가 건조되어 불량이 되는 것을 방지하면서, 이전에 행한 CMP 공정의 슬러리가 그다음 CMP 공정에 그대로 옮겨져 CMP 공정이 정확하게 의도한대로 이루어지지 않는 문제점을 해소할 수 있다.
예를 들어, 웨팅 배스(400)는 도3에 도시된 바와 같이 웨이퍼 캐리어(200)에 로딩되어 있는 웨이퍼(W)를 순수(77, DIW)를 수용하는 수조(110)의 수면에 근접시키거나 담그고, 순수 유입구(120p)를 통해 수조(110)의 바닥면으로 순수(77)를 공급하면, 수조(110)의 가장 자리의 경계턱(111)에 둘러싸인 공간 내에 순수(77)가 채워지면서 웨이퍼(W)의 연마면을 순수의 흐름 상태로 접촉하게 되므로, 웨이퍼(W)의 연마면을 젖음 상태로 하면서 묻어있는 슬러리 등을 제거할 수 있다. 그리고, 웨이퍼(W)로부터 제거된 슬러리는 순수(77)와 함께 경계턱(111)을 흘러넘쳐 순수 배출구(130)를 통해 외부(77o)로 배출된다.
수조(110)는 웨이퍼 캐리어(200)의 저면 형상과 마찬가지인 원형으로 형성되는 것이 바람직하다. 경계턱(111)은 웨이퍼(W)를 감싸고 있는 캐리어 헤드(10)의 리테이너 링(12)과 마주보는 치수로 형성된다. 이에 따라, 수조(110) 내의 순수(77)가 경계턱(111)을 넘어 흘러넘치는 통로의 단면이, 경계턱(111) 내측의 공간의 단면에 비하여 작으므로, 순수 유입부(120p)로부터 공급되는 순수(77)의 단위 시간당 유량이 작더라도, 경계턱(111)에 비하여 높은 위치에 있는 웨이퍼(W)의 연마면과 수조(110)의 바닥면 사이의 공간에 순수(77)가 채워져, 웨이퍼(W)의 연마면이 순수(77)에 의해 젖음 상태로 유지될 수 있다.
그리고, 경계턱(111)의 내측은 경사면으로 형성되어, 수조(110)에 모인 순수(77)가 경계턱(111)을 넘어 흘러 넘치는 동안에 와류가 주변에서 발생되는 것을 억제한다. 경계턱(111)을 넘어 흘러넘치는 순수를 수용하는 수용조(112)가 수조(110)의 반경 바깥에 마련되고, 이 수용조(112)에 모인 순수 및 이물질은 순수 배출구(130)를 통해 외부로 배출된다.
상기 순수 유입구(120p)는 수조(110)의 바닥면에 다수 형성된다. 수조(110)의 바닥면에 드러난 순수 유입구는 각각 경사진 통로를 통해 순수(77)가 유입되면서, 순수(77)는 통로의 연장 방향(77i)으로 유동한다. 즉, 통로의 연장 방향(77i)은 반경 바깥 방향 성분을 포함하고 있으므로, 순수(77)가 반경 바깥 방향(77f)으로 유동하면서, 수조(110)의 가장자리에 위치한 걸림턱(111)을 흘러 넘칠때까지 웨이퍼(W)의 연마면에 닿아 젖음 상태를 유지하면서 연마면에 묻어있는 슬러리 및 연마 입자를 작은 전단력으로 씻어낼 수 있게 된다. 이 때, 순수 유입구(120p)에 의해 유입되는 순수(77)의 압력은 일반 가정에서 수돗물을 틀었을 때 나오는 압력의 정도의 저압으로 유지된다.
그리고 순수 유출구(130)는 수조(110)의 걸림턱(111)을 넘어 흘러나간 유동(77p)이 모이는 수용조(112)에 형성된다. 따라서, 수조(110)로부터 흘러 넘친 이물질을 일부 포함하는 순수(77)는 수용조(112)로부터 순수 유출구(130)를 통해 배출된다.
상기와 같이 웨팅 배스(400)는 이전에 행한 CMP 공정과 그 다음에 행해지는 CMP 공정 간에 슬러리의 종류가 다르거나 소요 시간이 다른 경우에 그 사이에 배치됨으로써, CMP 공정의 소요 시간의 차이만큼 대기하는 시간 동안에 웨이퍼가 건조되어 불량이 되는 것을 방지하면서, 웨이퍼(W)의 연마면을 깨끗이 세정하여 웨팅 배스(400)를 거친 다음에 행해지는 CMP 공정에서 이전에 사용되었던 슬러리에 의하여 영향을 받지 않도록 한다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 웨팅 배스(400)가 하나인 경우를 예로 들었지만, 폐루프 형태의 가이드 레일(90)을 따라, CMP 공정의 소요 시간 및 슬러리의 종류 차이를 고려하여 웨팅 배스(400)가 2개 이상 배치될 수도 있고, 각각의 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100) 마다 하나씩 웨팅 배스(400)가 배치될 수도 있다. 이를 통해, 각각의 연마 정반(101, 102, 103, 104; 100)에서 행해지는 CMP 공정의 시간 및 슬러리 등의 변수를 다양하게 조절하더라도 웨이퍼(W)의 손상없이 각 단계별 CMP 공정이 신뢰성있게 행해질 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
이하, 도4a 내지 도4c를 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템(1)의 연마 방법을 상술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템(1)은, 웨이퍼 캐리어(200) 중 하나가 로봇 아암(300)으로부터 새로운 웨이퍼를 공급받아, 가이드 레일(90)을 따라 제1연마정반(101), 제2연마정반(102), 제3연마정반(103), 제4연마정반(104)을 순차적으로 이동하면서 제1의 CMP공정, 제2의 CMP공정, 제3의 CMP 공정, 제4의 CMP 공정을 각각 행한다. (도4a 내지 도4c에서 웨이퍼 캐리어(200)에 도시된 빗금은 웨이퍼(W)를 로딩한 상태를 지칭한다).
이 때, 본 발명의 실시예에서는 제1의 CMP공정, 제2의 CMP공정, 제3의 CMP 공정, 제4의 CMP 공정의 소요시간은 제2의 CMP 공정이 다른 CMP 공정보다 짧고, 나머지 CMP 공정의 소요시간은 모두 동일한 것으로 가정한다. 그리고, 제1의 CMP공정, 제2의 CMP공정에 사용되는 슬러리는 동일하고, 제3의 CMP 공정, 제4의 CMP 공정에 사용되는 슬러리는 동일하지만, 제2의 CMP 공정, 제3의 CMP 공정에 사용되는 슬러리는 서로 다른 것으로 가정한다.
단계 1: 연마 정반(100)보다 1개 더 많은 캐리어 헤드(200) 중 하나는, 나머지 4개의 캐리어 헤드(200)가 연마 정반(100) 상에 위치하여 CMP 공정을 행하고 있는 동안에, 로봇 아암(300)으로부터 웨이퍼(W)를 로딩받는다. 그리고, 웨이퍼(W)가 로딩된 캐리어 헤드(200)는 가이드 레일(90)을 따라 순환 이동하면서 각각의 연마 정반(100)에서 CMP 공정을 행한다.
이에 의하여, 웨이퍼(W)를 탑재한 제1웨이퍼 캐리어(201)가 반시계 방향(201d)으로 순환 이동하여 제1연마정반(101)에서 제1의 CMP 공정을 마치고 제2연마 정반(102)상에 위치하고 있고, 웨이퍼(W)를 탑재한 제2웨이퍼캐리어(202)도 로봇 아암(300)으로부터 웨이퍼를 로딩받아 제1연마정반(101)상에 위치하고 있으며, 제3웨이퍼 캐리어(203)는 로봇 아암(300)으로부터 웨이퍼를 로딩받은 상태이며, 그리고, 웨이퍼(W)를 탑재한 제5웨이퍼캐리어(205)는 제3연마정반(103) 상에 위치하고 있고, 웨이퍼(W)를 탑재한 제4웨이퍼 캐리어(204)는 제4연마정반(104)상에 위치한 상태가 도4a에 도시되어 있다.
단계 2: 이 때, 제2연마정반(102)에서 행해지는 제2의 CMP연마공정이 제3연마정반(103)에서 행해지는 제3의 CMP 연마공정에 비하여 소요시간이 짧으므로, 제2의 CMP공정을 마친 웨이퍼를 로딩하고 있는 제1웨이퍼 캐리어(201)에 로딩되어 있는 웨이퍼는 제3연마정반(103) 상에서 제3의 CMP 공정이 종료되기 이전에 제2연마정반(102) 상에서 제2의 CMP공정이 종료된다.
따라서, 도4b에 도시된 바와 같이, 제1웨이퍼 캐리어(201)는 제2연마정반(102)과 제3연마정반(103)의 사이에 배치된 웨팅 배스(400)로 이동하여, 제1웨이퍼 캐리어(201)에 로딩되어 있는 웨이퍼를 젖음 상태로 유지하면서 웨이퍼에 묻어있는 슬러리를 깨끗하게 세정 제거한다.
한편, 웨팅 배스(400)는 웨이퍼 캐리어(200)가 이동하는 방향(200d)을 기준으로 제2연마정반(102)의 일측인 제2연마정반(102)과 제3연마정반(103)의 사이에 배치된 구성을 예로 들었지만, 웨이퍼 캐리어(200)가 이동하는 방향(200d)을 기준으로 제2연마정반(102)의 타측인 제1연마정반(101)과 제2연마정반(102)의 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 제2의 CMP공정이 먼저 끝난 제1웨이퍼 캐리어(201)가 후퇴하여 제1연마정반(101)과 제2연마정반(102) 사이의 웨팅 배스에서 대기하고 있다가, 제5웨이퍼 캐리어(205)에 로딩되어 있는 웨이퍼의 제3의 CMP 공정이 끝나면, 제1웨이퍼 캐리어(201)가 제3연마정반(103) 상으로 이동하여 그 다음에 행하는 제3의 CMP 공정을 행할 수도 있다.
단계 3: 그리고, 제5웨이퍼 캐리어(205)에 탑재된 웨이퍼에 대하여 제3연마정반(103)에서 제3의 CMP 공정이 종료되면, 각각의 웨이퍼 캐리어(201, 202, 203, 204, 205)는 한단계씩 반시계 방향으로 이동하고, 웨팅 배스(400)에 위치하고 있던 제1웨이퍼 캐리어(201)도 제3연마정반(103) 상에 위치할 수 있게 된다.
이 때, 제1웨이퍼 캐리어(201)에 로딩된 웨이퍼는, 제2의 CMP 공정이 제3의 CMP 공정에 비하여 시간이 짧아 대기해야 하는 상태에서, 웨팅 배스(400)에 의하여 젖음 상태를 유지할 수 있고, 동시에 제2의 CMP 공정에서 사용된 슬러리를 웨팅 배스(400)에서 깨끗하게 세정하여 제거하므로, 그 다음에 행할 제3연마정반(103) 상에서의 제3의 CMP 공정에 건조에 의하여 손상되지도 않고, 제2의 CMP 공정에서 사용되었던 슬러리가 묻어있지 않은 깨끗한 상태로 제3의 CMP공정을 행할 수 있게 된다.
상기와 같이, 단계적으로 CMP 공정이 행해지는 경우에 각 CMP 공정의 소요 시간이나 슬러리가 서로 다른 경우에, 해당 연마 정반의 사이 또는 이에 인접한 위치에 웨팅 배스(400)를 배치시킴에 따라, 웨이퍼의 손상을 막을 수 있으면서 이전 CMP 공정에 사용되었던 슬러리를 깨끗하게 제거할 수 있게 되어, 공정 효율을 향상시키면서도 CMP 공정에서의 화학적 연마를 보다 정확하게 행할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 제2연마정반에서 행해지는 제2의 CMP 공정과 제3연마정반에서 행해지는 제3의 CMP 공정의 사이에서 CMP 공정의 소요 시간 및 슬러리 종류가 다른 것을 예로 들었지만, 제1의 CMP 공정과 제2의 CMP 공정, 제3의 CMP 공정과 제4의 CMP 공정에서도 CMP 공정의 소요 시간 및 슬러리 종류가 달라질 수 있으며, 이 때 이들 사이 또는 전후에 웨팅 배스(400)를 배치하여, 웨이퍼의 건조에 의한 손상과 슬러리의 세정을 통한 CMP공정의 화학적 연마를 보다 신뢰성있게 행하는 구성도 본 발명의 범주에 속하는 것이다.
즉, 전술한 실시예로부터 웨팅 배스의 위치 및 개수가 변동되는 구성이 본 발명의 범주에 속한다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 너무도 자명하다.
1: 화학 기계적 연마 시스템 90: 가이드 레일
100: 연마정반 101: 제1연마정반
102: 제2연마정반 103: 제3연마정반
104: 제4연마정반 200: 웨이퍼 캐리어
201: 제1웨이퍼캐리어 202: 제2웨이퍼캐리어
203: 제3웨이퍼캐리어 204: 제4웨이퍼캐리어
205: 제5웨이퍼캐리어 300: 로봇아암

Claims (13)

  1. 하나의 웨이퍼에 대하여 제1화학기계적 연마공정과 제2화학기계적 연마공정을 포함하는 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 화학 기계적 연마 시스템으로서,
    상기 제1화학기계적 연마공정이 행해지는 제1연마정반과 상기 제2화학기계적 연마공정이 행해지는 제2연마정반을 포함하여 배열된 다수의 연마 정반과;
    웨이퍼를 파지한 상태로 이동하여 상기 연마 정반에서 파지된 웨이퍼가 상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정을 행하도록 상기 웨이퍼를 이동하는 다수의 웨이퍼 캐리어와;
    상기 웨이퍼 캐리어에 웨이퍼를 로딩하는 로딩 유닛과;
    상기 제1화학기계적 연마공정과 상기 제2화학기계적 연마공정이 종료된 웨이퍼를 상기 웨이퍼 캐리어로부터 언로딩하는 언로딩 유닛과;
    제1화학기계적 연마공정이 행해진 웨이퍼의 연마면이 액체와 접촉하여 젖음 상태를 유지하도록 상기 다수의 연마 정반의 사이에 배치된 웨팅 배스(wetting bath)를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 웨이퍼 캐리어는 순환 경로를 서로 독립적으로 이동하면서 순환하고, 상기 다수의 연마 정반과 상기 웨팅 배스는 상기 순환 경로 상에 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 웨팅 배스는 상기 연마 정반마다 하나씩 배치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 웨팅 배스는 상기 웨이퍼 캐리어에 웨이퍼가 파지된 상태로 상기 웨이퍼의 연마면이 순수에 잠기게 하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1화학기계적 연마공정에 소요되는 제1공정시간이 상기 제2화학기계적 연마공정에 소요되는 제2공정시간과 차이가 있고, 상기 웨팅 배스는 상기 웨이퍼 캐리어가 이동하는 방향을 기준으로 제1연마정반의 일측과 타측 중 어느 하나 이상에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리와 상기 제2화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리가 서로 다르고, 상기 웨팅 배스는 상기 웨이퍼 캐리어가 이동하는 방향을 기준으로 제1연마정반의 일측과 타측 중 어느 하나 이상에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 로딩 유닛과 상기 언로딩 유닛은 하나의 로봇 아암으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  8. 제 2항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 캐리어는 상기 연마 정반의 개수보다 더 많은 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템.
  9. 하나의 웨이퍼에 대하여 제1화학기계적 연마공정과 제2화학기계적 연마공정을 포함하는 2개 이상의 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 행하는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    웨이퍼를 다수의 웨이퍼 캐리어 중 어느 하나에 로딩하는 웨이퍼 로딩 단계와;
    상기 웨이퍼 캐리어를 서로 독립적으로 이동시켜 상기 제1화학기계적 연마공정이 행해지는 제1연마정반 상에서 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 파지되어 있는 상기 웨이퍼에 대한 연마를 행하는 제1연마단계와;
    상기 제1연마단계가 행해진 이후에 상기 웨이퍼 캐리어가 이동하여 상기 웨이퍼의 연마면을 젖은 상태로 유지시키는 웨이퍼 웨팅 단계와;
    상기 웨이퍼 캐리어를 이동시켜 상기 제2화학기계적 연마공정이 행해지는 제2연마정반 상에서 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 파지되어 있는 상기 웨이퍼에 대한 연마를 행하는 제2연마단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 다수의 웨이퍼 캐리어는 순환 경로를 독립적으로 이동하면서 순환하고, 상기 다수의 연마 정반은 상기 순환 경로 상에 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1화학기계적 연마공정에 소요되는 제1공정시간이 상기 제2화학기계적 연마공정에 소요되는 제2공정시간과 서로 다른 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제1화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리와 상기 제2화학기계적 연마공정에 사용되는 슬러리가 서로 다른 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  13. 제 11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 웨팅 배스는 상기 웨이퍼 캐리어가 이동하는 방향을 기준으로 제1연마정반의 일측과 타측 중 어느 하나 이상에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
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