KR20160093939A - 화학 기계적 연마 장치 및 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 패드가 입혀진 연마 정반과; 상기 연마 패드의 온도를 조절하는 온도 조절부를; 포함하여 구성되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
화학기계적 연마(CMP) 장치(1)는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.
이러한 화학 기계적 연마(CMP) 장치(1)는, 도1에 도시된 바와 같이 연마 헤드(20)는 연마공정 중에 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 정반(10)의 연마 패드(11)와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전(20d)시키고, 동시에 연마 패드(11)도 정반 몸체(12)와 함께 자전(11d)하면서 기계적 연마 공정을 행하도록 한다. 동시에 연마 패드(11) 상에 슬러리 공급부(30)의 공급구(32)로부터 슬러리가 연마 패드(11) 상에 공급되면, 슬러리가 웨이퍼(W)로 유입되면서 웨이퍼(W)의 화학적 연마 공정이 행해진다.
이와 동시에, 컨디셔너(40)의 컨디셔닝 디스크는 하방 가압하면서 회전(40d)하고 그 아암(41)이 정해진 각도를 왕복(41d)하면서 연마 패드(11)의 표면을 개질한다.
웨이퍼(W)에 적층되는 연마층은 텅스텐 등의 금속막이나 산화막 등 다양한 소 재로 형성된다. 그러나, 연마층의 종류에 관계없이 도3에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계(A1)에서는 연마 시간의 경과에도 불구하고 연마 두께(79)가 거의 변동하지 않으며, 일정한 시간(T1)이 경과한 이후의 주(主)연마 단계(A2)에 도달해서야 비로소 화학 기계적 연마 공정에 따른 연마량(89)이 증가하기 시작하여 최종 연마두께(dx)에 도달한다는 것이 실험적으로 확인되었다.
그러나, 초기 단계(A1)에 소요되는 시간(T1)은 전체 연마 시간(Te)의 2/5 내지 1/2 정도로 오랜 시간을 차지하므로, 정해진 시간 내에 화학 기계적 연마 공정을 행하는 생산성이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 초기 단계(A1)에서 소요되는 시간(T1)이 길어짐에 따라, 단위 웨이퍼에 대한 화학 기계적 연마 시간을 단축하기 위하여, 주연마 단계(A2)에서 단위 시간당 연마량을 크게 제어하게 되므로, 웨이퍼 연마면의 연마 두께를 판면에 걸쳐 정교하게 제어하지 못하는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 단위 시간당 연마량이 작은 초기 단계에 소요되는 시간을 단축함으로써, 전체적인 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 줄여 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은, 동일한 시간 동안에 화학 기계적 연마 공정을 행할 경우에 단위 시간당 연마량을 더 작게 할 수 있으므로, 웨이퍼의 연마면의 두께 편차를 줄여 보다 정교한 두께 조절을 가능하게 하는 환경을 마련하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 패드가 입혀진 연마 정반과; 상기 연마 패드의 온도를 조절하는 온도 조절부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 웨이퍼의 연마층이 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마량이 높아지기 위하여, 웨이퍼를 가압하는 힘이 크더라도 웨이퍼의 단위 시간 당 연마량이 증가하지 않아 초기 단계에 소요되는 시간이 단축되지 않지만, 연마 패드의 온도를 미리 높여두어 웨이퍼의 연마 환경을 상온보다 높은 상태로 화학 기계적 연마 공정을 시작하게 함으로써, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 웨이퍼 연마층의 단위 시간당 연마량을 증가시키는 주(主)연마 단계로 보다 짧은 시간 내에 진입할 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같이, 본 발명은 연마 패드를 상온보다 높은 온도로 조절한 상태로 화학 기계적 연마 공정을 시작하도록 함으로써, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하면서도, 주 연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을, 예를 들어 웨이퍼를 가압하는 가압력을 작게 조절하는 것 등에 의하여, 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 상기 연마 패드는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서는 상온에 비하여 높은 온도로 조절될 수 있다. 즉, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 내내 연마 패드를 가열할 수도 있지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지면서 웨이퍼의 연마면과 연마 정반 사이에 마찰에 의한 열이 발생되므로, 연마 패드는 시작 단계에서만 상온에 비하여 높은 온도로 가열될 수도 있다.
이 때, 상기 시작 단계는 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 전체 시간의 1/3이하로 정해진다. 이는, 화학 기계적 연마 공정의 전체 공정 시간의 적어도 1/3이 경과하면, 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의하여 상온보다 높은 온도로 유도되기 때문이다.
즉, 여기서의 시작 단계는 전술한 초기 단계와 동일하게 정해질 수도 있지만, 반드시 일치하는 것은 아니다. 이는, 슬러리나 연마층의 종류에 따라 차이가 있지만, 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의하여 상온보다 높은 온도로 유도되어도, 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼의 단위 시간당 연마 속도가 높아지는 것에는 시간 차이가 있기 때문이다.
상기 연마 정반의 상기 연마 패드의 온도는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 섭씨 40도 이상으로 정해지는 것이 바람직하다. 다만, 연마 패드의 시작 단계에서의 온도는 슬러리의 종류와 웨이퍼 연마층의 소재에 따라 슬러리의 시작 단계에서의 공급온도는 섭씨 80도 이상이 될 수도 있고, 경우에 따라서는 섭씨 40도로 정해질 수도 있다.
이에 따라, 상기 연마 패드는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 진행되면, 시작 단계에 비하여 보다 낮은 온도로 조절되어 슬러리를 공급하는 것이 바람직하다. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼와 연마 패드와의 마찰에 의한 발열량이 큰 경우에는, 연마 패드는 시작 단계가 경과한 이후에는 상온보다 더 낮은 온도로도 조절될 수도 있으며, 이에 의해서도 웨이퍼 주변의 온도를 상온보다 높게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전에 상기 연마 정반에 상온 이상의 순수를 상기 연마 정반에 공급하는 것에 의해서도, 시작 단계에서 웨이퍼의 주변 온도를 상온보다 높게 유도함으로써, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 초기 시간을 줄일 수 있다. 예를 들어, 상기 순수의 온도는 섭씨 50도 내지 섭씨 100도일 수 있다.
이와 병행하거나 대신하여, 상기 온도 조절부는, 상기 연마 패드로부터 이격된 위치로부터 조절 가능한 복사열을 조사하는 것에 의하여 연마 패드의 온도를 높일 수 있다.
이와 병행하거나 대신하여, 상기 온도 조절부는, 상기 연마 패드에 내설된 열선을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 열선은 발열량이 조절 가능하여, 열선의 발열량 조절에 의하여 연마 패드의 온도를 자유자재로 조절할 수도 있다.
한편, 상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서를; 더 포함하고, 상기 연마 패드는 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도가 정해진 범위 내로 유지하게 상기 연마 패드의 온도 조절부로부터 전달되는 열량을 조절할 수 있다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼와 연마 패드와의 발열량을 고려하여, 화학 기계적 연마 공정 중의 웨이퍼 주변의 온도를 슬러리에 의한 화학적 연마가 최적으로 유도되는 온도로 유지하여, 단위 시간당 연마량을 일정하면서도 높은 수준으로 유도하는 것이 가능해진다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 방법으로서, 화학 기계적 연마 공정을 행하는 시작 단계에서 상기 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 패드의 온도를 상온보다 높게 조절하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서, 웨이퍼 연마면이 접촉하는 연마 패드를 상온보다 높게 온도 조절함으로써, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 주(主)연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을, 예를 들어 웨이퍼를 가압하는 가압력을 작게 조절하는 것 등에 의하여, 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도1에 의한 화학 기계적 연마 공정의 시간에 따른 연마량 변화 그래프,
도4는 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도5는 도4의 정면도,
도6은 도4의 연마 패드에 내설된 열선 및 그 제어부의 구성을 도시한 모식도,
도7은 도4의 화학 기계적 연마 장치의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도,
도8은 본 발명의 제2실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 정면도,
도9는 도8의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)는, 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 회전하여 웨이퍼 연마면을 연마하는 연마 패드(111)가 정반 몸체(112)의 상측에 입혀진 연마 정반(110)과, 연마 정반(110)의 연마 패드(111) 상에 웨이퍼 연마면이 접촉한 상태로 웨이퍼(W)를 하방 가압하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 컨디셔너(40)와, 웨이퍼(W)가 상기 연마 정반(10)과 접촉하면서 연마하는 공정 중에 온도조절된 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(30)와, 연마 패드(111)의 온도를 조절하는 온도조절부(100)를 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(110)은 회전 구동되는 정반 몸체(112)의 상면에 연마 패드(111)가 입혀져, 연마 패드(111)는 화학 기계적 연마 공정 중에 자전(111d)을 한다. 그리고, 정반 몸체(112)와 연마 패드(111)의 사이에는 열선(125)이 분포된 가열 플레이트(120)가 개재된다. 가열 플레이트(120)를 수용하기 위하여, 도5에 도시된 바와 같이 정반 몸체(112)와 연마 패드(111) 중 어느 하나 이상에는 수용홈이 형성된다.
상기 온도 조절부(100)는 연마 정반(110)에 내설되어 열선(125)이 배치된 가열 플레이트(120)와, 연마 패드(111)의 표면 온도를 측정하는 온도 센서(Tm)와, 온도 센서(Tm)에서 측정된 온도값을 수신하여 연마 패드(111)의 온도를 조절하는 제어부(130)와, 제어부(130)의 지령에 따라 열선(125)의 온도를 조절하는 열선 온도조절부(140)와, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 연마 패드(111)의 표면에 온도 조절된 순수(99)를 분사하는 순수 공급부(190)로 구성된다.
상기 가열 플레이트(120)는 도5에 도시된 바와 같이 연마 정반(110)의 연마 패드(111)의 저면에 위치하고, 열선(125)이 골고루 배치된다. 열선(125)은 ON/OFF 방식으로 정해진 발열량이 발산되도록 형성될 수도 있지만, 열선(125)에 인가되는 전류가 열선온도 조절부(V, 140)에 의하여 조절되면서, 열선(125)으로부터 발산되는 발열량은 조절 가능하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 온도 센서(Tm)는 웨이퍼(W)를 가압하는 연마 헤드(20)의 {연마 패드의 회전 방향을 기준으로} 전방과 후방에서의 연마 패드(111)의 온도를 측정한다. 연마 헤드(20)의 전방과 후방에서 모두 연마 패드(11)의 온도를 측정하는 경우에는, 웨이퍼를 통과하기 이전과 이후에서의 온도를 측정하여 평균값으로 화학 기계적 연마 공정이 일어나는 온도를 산출하는 것이 좋다. 온도 센서(Tm)는 비접촉 방식으로 연마 패드(111)의 표면 온도를 측정할 수도 있고, 연마 패드(111)에 내설되어 접촉 방식으로 연마 패드(111)의 내부 온도를 측정할 수도 있다.
이를 통해, 웨이퍼와 연마 패드(11)의 기계적 연마 공정에서 발생되는 열에 의하여, 웨이퍼(W) 주변의 온도가 변동되는 것을 보다 정확하게 감지할 수 있다.
상기 제어부(130)는 화학 기계적 연마 공정 중에 온도 센서(Tm)에서 측정한 온도값을 수신하여, 연마 패드(111)의 온도가 정해진 범위를 벗어나는 경우에 열선(125)에서의 발열량을 열선 온도조절부(140)를 통해 조절한다. 이 때, 열선(125)에서의 발열량은 ON/OFF방식으로 제어될 경우에는 OFF되는 시간의 길이를 조절하는 것에 의하여 조절 가능하고, 전류 제어 방식으로 제어될 경우에는 열선(125)에 인가되는 전류의 세기를 조절하는 것에 의하여 조절된다.
즉, 제어부(130)는, 화학 기계적 연마 공정이 일어나고 있는 웨이퍼(W) 주변의 온도가 적정 온도 범위를 초과한 경우에는 열선 온도조절부(140)에서 열선(125)에서의 발열량을 낮추도록 제어하고, 화학 기계적 연마 공정이 일어나고 있는 웨이퍼(W) 주변의 온도가 적정 온도 범위에 미달하는 경우에는 열선 온도조절부(140)에서 열선(1125)에서의 발열량을 높이도록 제어하여, 웨이퍼 주변의 온도가 슬러리의 화학적 연마가 원활히 일어나면서 마찰에 의한 기계적 연마도 원활히 일어날 수 있도록 유도한다.
한편, 화학 기계적 연마 공정이 진행되는 과정에서, 웨이퍼(W)와 연마 패드(111)의 기계적 마찰에 의하여 열이 발생되므로, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에 해당하는 시간이 경과하면, 웨이퍼(W)와 연마 패드(111)의 마찰에 의한 발열량에 해당되는 만큼 열선(125)에서의 발열량은 점점 낮아지게 제어되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 웨이퍼(W) 주변의 온도는 항상 상온보다 높은 적정 온도를 유지할 수 있다.
이 때, 제어부(130)에 의하여 연마 패드(111)가 유지하고자 하는 적정 온도 의 범위는 웨이퍼의 연마층이 공기중에서 산화되면서 생긴 막을 쉽게 기계적인 마찰력에 의하여 연마하기 좋은 온도이면서, 화학 기계적 연마 공정 중에 화학적 연마를 위하여 사용되는 슬러리의 반응 온도로 정해진다. 따라서, 연마 패드(111)의 적정 온도는 일률적으로 정해지는 것이 아니라, 웨이퍼의 연마층의 종류와 사용되는 슬러리의 종류, 웨이퍼 연마면이 접촉하는 연마 패드의 종류 및 상태 등 화학 기계적 연마 공정의 변수를 고려하여, 웨이퍼의 연마에 최적이 되는 온도가 되도록 대체로 섭씨 40도 이상으로 정해진다.
제어부(130)는 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전부터 상온보다 높은 적정 온도에 도달하도록 열선(125)에 의하여 발열되게 제어하여, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서부터 웨이퍼(W)가 적정 온도 범위 내에서 화학 기계적 연마 공정을 시작할 수 있도록 제어한다. 이를 통해, 화학 기계적 연마 단계의 시작 단계에서부터 상온보다 높은 적정 온도에 근접한 상태에서 화학 기계적 연마 공정이 이루어져, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 초기 단계(도3의 A1)가 지속되는 시간(T1)을 단축할 수 있게 된다.
상기 순수 공급부(190)는 화학 기계적 연마 공정을 시작하기에 앞서, 상온보다 높은 온도(예를 들어, 섭씨 35도 내지 섭씨 100도)의 순수를 분사하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작될 때에 연마 패드(111)의 온도를 상온보다 보다 확실하게 높은 상태로 유도한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 시작 단계에서, 온도조절된 슬러리가 슬러리 공급부(30)로부터 연마 패드(111)에 공급될 때에, 공급된 슬러리가 연마 패드(111)를 통과하여 웨이퍼(W)로 전달되는 과정에서 공급되는 슬러리의 온도에 의하여 웨이퍼 주변의 온도가 적정 온도에 비하여 낮아지는 것을 방지한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '상온(常溫)'은 별도의 열처리 없는 상태의 실내 온도를 지칭하며, 본 명세서 및 특허청구범위의 '상온'은 섭씨 15도를 지칭하는 것으로 정의하기로 한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '시작 단계'란 화학 기계적 연마 공정에 의하여 웨이퍼와 연마 패드의 마찰에 의한 발열량에 의하여 슬러리의 화학적 연마 반응이 일어나는 최적 온도까지 도달하는 데 까지의 단계로 정의한다. 따라서, 연마 패드(111)를 시작 단계에서 상온보다 높은 온도로 조절됨에 따라, 시작 단계는 화학 기계적 연마 공정의 전체 공정 시간의 1/3이하로 낮게 정해진다.
본 명세서에 기재된 '초기 단계'란 화학 기계적 연마 공정을 시작하면, 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 연마 단계로 정의한다. 여기서 단위 시간당 연마량이 '낮다'는 것은 '초기 단계'가 경과한 이후에 단위 시간당 연마량이 '큰' 주(主) 연마 단계에서의 단위 시간당 연마량의 1/2이하로 유지되는 단계로 정의한다. 즉, 도3에서 A1으로 표시된 영역이 '초기 단계'이고, 도3에서 A2로 표시된 영역이 '주연마 단계'이다.
그리고, 본 명세서에 기재된 '적정 온도'란 웨이퍼 연마층의 재질, 슬러리의 종류, 연마 패드의 재질 및 사용기간 등 화학 기계적 연마 공정의 변수를 고려하여, 웨이퍼 연마층이 공기와 접하면서 발생된 미세한 산화막이 제거되기 쉬우면서 슬러리의 화학 반응이 원활히 이루어져 웨이퍼의 연마에 최적이 되는 상온보다 높은 온도(예를 들어, 섭씨 30도 내지 섭씨 180도)를 지칭한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)는, 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 연마 패드(111)가 상온보다 높은 온도로 조절되어, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 고온 환경에서 보다 빨리 제거되어 기계적 연마도 촉진되고, 동시에 슬러리의 화학 반응이 최적의 온도로 설정되어 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 전체 연마 시간의 1/10 이하로 단축할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있었다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 주(主)연마 단계에서 화학 기계적 연마 공정에 의하여 단위 시간당 연마되는 연마량을 작게 유지하여, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도7을 참조하여 상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9)의 작용을 상술한다.
단계 1: 먼저, 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에, 섭씨 40도 이상으로 온도조절된 순수를 연마 정반(10)의 연마 패드(11) 상에 도포한다(S110). 이에 의하여, 연마 패드(11)의 온도는 주변 온도보다 높은 상태로 있게 된다.
단계 2: 그리고, 웨이퍼가 연마 헤드(20)의 하측에 위치한 상태에서 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전부터, 열선 온도조절부(140)에서 상온에 비하여 높은 정해진 적정 온도로 연마 패드(111)의 온도를 조절한다(S120). 연마 패드(20)의 하측에 설치된 열선(125)으로부터의 발열량이 연마 패드(111)의 온도를 적정 온도로 유지하는 데 부족하더라도, 순수 공급부(190)로부터 연마 패드(111)의 표면 전체에 도포되는 순수(99)의 온도를 조절하는 것에 의하여 짧은 시간 내에 연마 패드(111)의 온도를 적정 온도로 올릴 수 있다.
연마 패드(11)의 정해진 적정 온도는 웨이퍼 연마층이 금속층인지 산화층인지 여부와, 슬러리의 종류와, 연마 패드의 재질 및 사용기간 등을 종합적으로 고려하여 경험적으로 미리 정해진다.
따라서, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼(W) 주변의 온도는 상온에 비하여 높은 온도로 유지되고, 동시에 슬러리의 화학적 연마를 위한 반응 온도에 이미 도달한 상태가 된다. 따라서, 웨이퍼 연마면이 주변보다 높은 고온 상태로 되므로 웨이퍼 연마면에서의 산화막이 쉽게 제거되어 기계적 연마 공정도 보다 쉽게 이뤄진다. 동시에, 슬러리의 반응이 원활히 이루어지면서 화학적 연마도 금방 안정되게 이루어진다.
즉, 화학 기계적 연마 공정은 시작 단계에서부터 단위 시간당 연마량이 금방 커지기 시작하여 주연마 단계에 이르게 되며, 원활한 화학 기계적 연마 공정이 전체 공정의 대부분을 이루게 된다. 즉, 종래에는 초기 단계(도3의 A1)는 전체 연마 공정 시간의 1/3 내지 1/2을 차지하였지만, 상기와 같이 시작 단계에서 연마 패드(111)의 온도를 적정 온도로 조절하여 웨이퍼의 연마에 최적인 온도 환경으로 맞춰줌으로써, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간(T1)을 전체 연마 시간(Te)의 1/10 이하까지 낮출 수 있게 된다.
단계 3: 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 온도는 지속적으로 온도 센서(Tm)에 의해 측정되어 감시되며, 측정된 온도값은 제어부(120)로 전송된다.(S130).
한편, 화학 기계적 연마 공정 중에 시작 단계에서는 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 마찰에 의한 발열량이 미미하지만, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계를 넘어서면서 발열량은 크게 증가하게 된다. 이에 따라, 연마 패드(111)의 온도를 시작 단계에서의 적정 온도로 유지할 경우에는, 웨이퍼 주변의 온도가 과도하게 높아진다.
따라서, 전체 연마 시간(Te)의 1/10 내지 1/3정도의 시간이 경과하면, 연마 패드(111)의 온도는 시작 단계에서의 온도에 비하여 낮게 조절되어 공급된다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 이루어지는 웨이퍼(W)의 주변 온도는 열선(125)으로부터 전달되는 열전달량의 감소분과 연마 패드(111)와의 마찰에 의해 발생되는 발열량의 증가분이 평형을 이루면서, 화학 기계적 연마 단계의 시작 단계에서 연마 종료 시점까지 적정 온도 범위 내에서 안정되게 유지할 수 있다.
이와 달리, 온도 센서(Tm)로부터 제어부(130)에 전송된 측정 온도값을 기초로 정할수도 있다. 즉 제어부(130)로 전송되는 연마 패드(11)의 측정 온도값이 정해진 적정 온도 범위를 초과하면, 제어부(130)는 열선 온도조절부(140)에 지령을 전송하여, 열선 온도조절부(140)가 열선(125)에 인가하는 전류를 낮추거나 OFF시키는 시간을 늘리는 것에 의하여 연마 패드(111)에서의 발열량을 낮추도록 조절한다(S140). 이와 유사하게, 제어부(130)로 전송되는 연마 패드(111)의 측정 온도값이 정해진 적정 온도 범위를 미달하면, 제어부(130)는 열선 온도조절부(140)에 지령을 전송하여, 열선 온도조절부(140)의 열선(125)에 인가하는 전류를 높이거나 OFF시키는 시간을 줄이는 것에 의하여, 연마 패드(11)의 온도를 높이도록 조절할 수도 있다.
이에 의하여, 보다 정확한 시점에서 연마 패드(111)에 내설된 열선(125)에서의 발열량을 조절함으로써, 웨이퍼의 연마 공정이 시작부터 종료될 때까지 일정하고 신뢰성있게 정해진 적정 온도 범위 내에서 화학 기계적 연마 공정이 행해질 수 있다.
단계 3의 공정 S130과 S140은 화학 기계적 연마 공정이 종료될 때까지 지속되어, 화학 기계적 연마 공정이 단위 시간에 대하여 일정하고 균일하게 행해질 수 있게 된다.
상기와 같이 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼(W)에 연마 패드(111)를 상온보다 높은 온도, 바람직하게는 섭씨 40도 내지 섭씨 200도 사이의 적정 온도로 가열된 상태로 공급됨에 따라, 웨이퍼 연마층이 고온 환경 하에서 기계적 연마에 의해서도 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 화학 기계적 연마 공정에서 단위 시간당 연마량이 낮게 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간(T1)을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주(主)연마 단계(도3의 A2)에 소요되는 시간을 보다 길게 연장할 수 있는 여유가 생기므로, 주 연마 단계에서 웨이퍼의 연마면 위치에 따라 연마량 편차가 발생되는 크기를 줄일 수 있는 제어가 보다 정확하게 행해지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 연마 패드(111)의 온도를 조절하기 위하여 열선(125)을 사용하는 것과 병행하거나 대신하여, 고온의 복사열을 조사하는 복사열 조사기(220)에 의하여 연마 패드(111)의 온도를 조절할 수 있다.
즉, 연마 패드(111)의 정해진 영역(220A)에 복사열을 인가하거나 인가하는 것을 중단함으로써, 연마 패드(111)의 온도를 적정 온도로 유지할 수 있다. 도면에는 복사열 조사기(220)에 의하여 연마 패드(111)에 조사되는 영역(220A)이 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 전방부에 위치하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 보다 넓은 면적에 걸쳐 복사열(Rq)을 연마 패드(111)에 전달할 수 있다. 다만, 온도 센서(Tm)가 복사열(Rq)이 전달되는 영역(220A)에서 연마 패드(111)의 온도를 측정하면 복사열(Rq)에 의해 왜곡될 수 있으므로, 복사열(Rq)이 전달되지 않는 영역에서 측정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(111)의 회전 방향(111d)을 기준으로, 도9에 도시된 바와 같이 복사열(Rq)은 웨이퍼(W)의 전방부 영역(220A)에 조사하고, 연마 패드(111)의 온도 측정 지점은 웨이퍼(W)의 후방부인 것이 보다 정확한 계측을 하는 측면에서 효과적이다.
이와 같이 구성된 제2실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치는 제1실시예와 동일하거나 유사하게 작동된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서부터, 웨이퍼 연마면이 접촉하는 연마 패드(111)를 상온보다 높은 적정 온도로 조절함으로써, 웨이퍼 연마층에 입혀진 막이 보다 빨리 제거되고 슬러리의 화학 반응에 의한 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간(T1)을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 웨이퍼 연마면의 연마량 편차를 작게 제어하기 용이한 환경을 제공할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
9: 화학 기계적 연마 장치 110: 연마 정반
111: 연마 패드 112: 정반 몸체
20: 연마 헤드 30: 슬러리 공급부
100: 온도 조절부 120: 가열 플레이트
125: 열선 130: 제어부
140: 열선 온도조절부 190: 순수 공급부
220: 복사열 공급부 Tm: 온도 센서

Claims (12)

  1. 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 회전하여 상기 연마면을 연마하는 연마 패드가 입혀진 연마 정반과;
    상기 연마 패드의 온도를 조절하는 온도 조절부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 패드는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서는 상온에 비하여 높은 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 시작 단계는 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 전체 시간의 1/3이하인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연마 정반의 상기 연마 패드의 온도는 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 시작 단계에서 섭씨 40도 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 온도 조절부는,
    상기 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전에 상기 연마 패드에 상온보다 높은 온도의 순수를 공급하는 것에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 온도 조절부는,
    상기 연마 패드로부터 이격된 위치로부터 조절 가능한 복사열을 조사하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 온도 조절부는,
    상기 연마 패드에 내설된 열선인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 열선은 발열량이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 온도는 상온보다 높은 정해진 온도 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연마 패드의 온도는 섭씨 40도 이상의 온도 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  12. 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    화학 기계적 연마 공정을 행하는 시작 단계에서 상기 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 패드의 온도를 상온보다 높게 조절하는 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.

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