KR20160115394A - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

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KR20160115394A
KR20160115394A KR1020150042979A KR20150042979A KR20160115394A KR 20160115394 A KR20160115394 A KR 20160115394A KR 1020150042979 A KR1020150042979 A KR 1020150042979A KR 20150042979 A KR20150042979 A KR 20150042979A KR 20160115394 A KR20160115394 A KR 20160115394A
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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 연마하는 연마 패드를 상측에 구비한 연마 정반과; 온도 조절된 순수를 상기 연마 패드 상에 분사하는 순수 분사 노즐과, 온도 조절된 슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하는 슬러리 공급노즐이 하나의 몸체에 형성되어 순수와 슬러리 중 어느 하나 이상을 공급하는 액체 공급부를; 포함하여 구성되어, 온도 조절된 순수 및 슬러리를 연마 패드에 공급하고 연마 패드의 넓은 영역을 일자 형태로 순수를 분사함으로써, 연마 패드에 고착된 이물질이 연마 패드로부터 쉽게 분리되어 세정 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 연마 효율을 향상시킬 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 상세하게는 연마 패드를 타겟 온도로 가열하면서 연마 패드에 잔류하는 이물질을 짧은 시간 내에 제거하여 화학 기계적 연마 공정의 연마 품질을 향상시키는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
화학기계적 연마(CMP) 장치는 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 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드는 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.
도1 및 도2는 일반적인 화학 기계적 연마 장치(1)를 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 장치(1)는 자전하는 연마 정반(10)과, 연마 정반(10)의 상측에 입혀진 연마 패드(11)에 웨이퍼(W)를 밀착시킨 상태로 가압(20F)하면서 회전(20r)시키는 연마 헤드(20)와, 컨디셔닝 디스크(31)를 연마 패드(11)에 가압(30F)하면서 회전(30r)시켜 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 컨디셔너(30)와, 연마 패드(11) 상에 슬러리를 공급하여 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 유도하는 슬러리 공급부(40)로 구성된다.
이와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치는, 도2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 연마 헤드(20)에 의하여 연마 패드(11)에 공급되면, 연마 헤드(20)에 의하여 하방으로 가압(20F)된 상태로 웨이퍼(W)가 가압되면서 회전(20r)하면서 자전하는 연마 패드(11)와 기계적 연마가 이루어지고, 동시에 슬러리 공급부(40)로부터 슬러리가 공급되면서 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 이루어진다.
웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정이 종료되면, 컨디셔너(30)와 슬러리 공급부(40)가 연마 패드(11)의 바깥으로 이동한 상태에서, 순수 공급부(50)는 도3에 도시된 바와 같이 자전(11r)하는 연마 패드(11)의 표면에 대하여 반경 방향으로 왕복 이동하면서, 순수(50a)를 고압 분사하여 연마 패드(11)의 표면을 세정한다.
그리고 나서, 그 다음에 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼(W)가 이송되어 화학 기계적 연마 공정이 행해진다.
그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 화학 기계적 연마 장치(1)는 웨이퍼(W)의 연마 공정이 종료된 이후에, 순수 공급 노즐(50)로부터 순수(50a)를 분사하여 연마 패드(11) 상에 잔류하는 연마 입자와 오염된 슬러리 등의 이물질을 연마 패드(11)로부터 제거하여 깨끗하게 하는 데에 오랜 시간이 소요되는 문제가 있었다.
또한, 순수 공급 노즐(50)로부터 분사되는 순수(50a)는 회전하고 있는 연마 패드(11)의 중심부와 가장자리 부분에서 동일한 높이에서 순수(50a)가 분사되어 세정되는 데, 연마 패드(11)의 중심으로부터 반경 길이가 길수록 연마 패드(11)의 회전에 따른 선속도가 더 커져, 연마 패드(11)의 반경 길이가 긴 영역에서는 순수(50a)에 의한 세정 효과가 저하되고, 이에 따라 연마 패드(11)의 반경 길이가 긴 가장자리 영역을 세정하는 데에 오랜 시간이 소요되는 문제점도 있었다.
또한, 화학 기계적 연마 장치에서 순수 공급부(50)와 슬러리 공급부(40)가 상호 이동이 간섭되어 기구적 구성의 작동 시에 충돌의 위험이 있었다.
그리고, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 시작된 이후에 일정 시간 동안에는 웨이퍼(W)의 연마 속도가 매우 낮아 전체적인 연마 공정의 효율이 저하되는 문제점도 있었다.
한편, 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 단계에서는 연마 시간의 경과에도 불구하고 연마 두께(79)가 거의 변동하지 않으며, 일정한 시간이 경과한 이후의 주(主)연마 단계에 도달해서야 비로소 화학 기계적 연마 공정에 따른 연마량이 증가하기 시작하여 최종 연마두께에 도달한다는 것이 실험적으로 확인되었다.
그러나, 초기 단계에 소요되는 시간은 전체 연마 시간의 2/5 내지 1/2 정도로 오랜 시간을 차지하므로, 정해진 시간 내에 화학 기계적 연마 공정을 행하는 생산성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 초기 단계에서 소요되는 시간이 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.
상기의 구성 및 문제점은 본 발명이 도출되기 위한 배경을 설명한 것으로, 본 발명의 출원일 이전에 공지된 종래 기술인 것은 아니다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 연마 패드에 잔류하는 이물질의 제거에 소요되는 시간을 단축하고 보다 깨끗하게 연마 패드를 세정하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 연마 패드의 세정 공정에 의해 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 연마 시간을 단축하고, 연마면의 조절을 보다 정교하게 제어할 수 있게 하는 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.
또한, 본 발명은 하나의 화학 기계적 연마 장치에서 2개 이상의 슬러리를 선택적으로 공급할 수 있으면서, 슬러리 공급부와 순수 공급부의 작동 상의 충돌 문제를 완전히 해결하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 연마 패드의 표면을 고압 분사되는 순수에 의하여 세정할 때에, 연마 패드의 중심부와 연마 패드의 가장자리의 선속도 차이에 의한 세정 효율의 편차를 최소화하여 세정에 소요되는 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 연마하는 연마 패드를 상측에 구비한 연마 정반과; 온도 조절된 순수를 상기 연마 패드 상에 분사하는 순수 분사 노즐과, 온도 조절된 슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하는 슬러리 공급노즐이 하나의 몸체에 형성되어 순수와 슬러리 중 어느 하나 이상을 공급하는 액체 공급부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 연마 패드에 잔류하는 이물질을 세정하기 위하여 순수 분사 노즐로부터 연마 패드 상에 순수를 고압 분사함에 있어서, 상온보다 높은 온도로 조절된 순수를 분사함으로써, 연마 패드에 고착된 이물질이 연마 패드로부터 쉽게 분리되어 세정 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 연마 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
즉, 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 시작하고 진행하게 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 있는 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 연마 패드를 상온보다 높은 온도로 조절한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해짐으로써, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 전체 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
이와 동시에, 연마 패드에 공급되는 슬러리의 온도를 상온보다 높은 온도로 조절한 슬러리를 연마 패드에 공급함으로써, 웨이퍼의 화학적 연마 공정이 즉시에 이루어질 수 있도록 유도하여, 웨이퍼 연마층의 화학적 연마를 촉진함으로써, 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 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 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.
이 때, 상기 슬러리와 상기 순수는 하나의 몸체에서 토출되므로, 슬러리와 순수의 온도를 하나의 온도조절기구를 이용하여 동시에 조절함으로써, 부품의 개수를 줄이고 보다 콤팩트한 구성을 통하여, 웨이퍼의 연마 시간에 소요되는 시간을 단축하고 정교한 연마를 가능하게 하는 잇점을 얻을 수 있다.
그리고, 상기 순수 분사 노즐은, 가열된 순수를 공급받아 연마 패드에 고온의 순수를 분사할 수도 있지만, 화학 기계적 연마 장치에 설치된 노즐 바에 형성된 순수 공급로에 열선이 배치되어, 공급되는 순수의 온도를 실시간으로 가열하여 분사할 수도 있다. 그리고, 상기 순수 분사 노즐은 분사되기 이전에 순수를 공급하는 순수 공급로에 냉동 사이클에 의한 온도 조절부가 배치되어, 상기 순수 공급로를 통해 공급되는 순수를 실시간으로 조절할 수도 있다.
마찬가지로, 상기 슬러리 공급 노즐은, 온도조절된 슬러리를 공급받아 연마 패드에 고온의 슬러리를 공급할 수도 있지만, 화학 기계적 연마 장치에 설치된 노즐 바에 형성된 슬러리 공급로에 열선이 배치되어, 공급되는 순수의 온도를 실시간으로 가열하여 온도조절하면서 분사할 수도 있다. 또한, 상기 슬러리 공급 노즐은 토출되기 이전에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급로에 냉동 사이클에 의한 온도 조절부가 배치되어, 상기 슬러리 공급로를 통해 공급되는 슬러리를 실시간으로 조절할 수도 있다.
이와 같이, 열선에서의 발열량을 조절하거나 냉동 사이클에 의한 온도 조절에 의하여 순수 분사 노즐에서 분사되고 있는 순수의 온도와 슬러리 공급 노즐에서 토출되고 있는 슬러리의 온도를 실시간으로 정확하게 제어할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
여기서, 상기 순수 분사 노즐에 의하여 분사되는 순수의 온도를 측정하는 순수 온도 측정부를; 더 포함하여 구성되어, 연마 패드에 분사되는 순수의 온도를 실시간으로 감시할 수 있다.
그리고, 상기 순수 온도 측정부에 의하여 측정된 공급되는 순수의 온도가 타겟 온도에 도달하도록 피드백 제어로 조절됨으로써, 연마 패드의 온도를 순수에 의하여 정확하게 제어할 수 있는 잇점이 얻어진다.
이 때, 상기 순수 공급 노즐로부터 분사되는 순수가 도달하는 연마 패드의 온도를 측정하는 패드 온도 측정부를; 더 포함하여, 상기 타겟 온도는 상기 연마 패드의 온도를 기준으로 정해지는 것이 바람직하다. 이를 통해, 연마 패드의 온도는 순수에 의하여 보다 정확하게 제어되어 화학 기계적 연마 공정의 시작과 진행하는 과정에서, 순수 분사 노즐로부터 온도제어된 순수에 의하여 웨이퍼의 종류에 따른 적합한 연마 온도로 유지되는 것이 가능해진다.
한편, 상기 순수 공급 노즐은 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 연장된 노즐 바를 포함하고, 상기 노즐 바에 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 노즐 바의 길이 방향을 따라 다수가 배치될 수도 있고, 노즐 바의 길이 방향을 따라 슬릿 형태로 토출구가 길게 형성될 수도 있다.
이와 같이, 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 긴 영역에 걸쳐 연마 패드에 온도 조절된 순수를 고압 분사함으로써, 연마 패드 상에 잔류하는 연마 입자나 오염된 슬러리를 곧바로 순수로 쓸어서 외부로 배출시키므로 세정 효율이 향상될 뿐만 아니라, 깨끗한 연마 패드 상에서 화학 기계적 연마 공정이 행해지므로 웨이퍼의 연마면 품질이 향상되며, 동시에 연마 패드의 온도를 화학 기계적 연마 공정에 적합한 온도에서 행해지므로 연마 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 노즐 바는 순수를 공급하는 동안에 회전축을 중심으로 왕복 회전하게 구성될 수 있다. 이와 동시에 상기 연마 정반은 순수를 공급하는 동안에 회전할 수도 있다.
상기 노즐 바에는 슬러리를 공급하는 슬러리 공급통로와, 상기 슬러리 공급통로로부터 상기 연마 패드의 중앙부에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구가 형성될 수 있다. 즉, 하나의 노즐 바에서 순수가 연마 패드에 고압 분사될 뿐만 아니라, 슬러리가 연마 패드에 공급됨으로써, 종래에 순수를 화학 기계적 연마 공정 중에 분사하고자 할 경우에 순수 공급부와 슬러리 공급부가 서로 간섭되었던 문제점을 근본적으로 해소할 수 있게 된다.
여기서, 상기 슬러리 공급통로는 서로 격리된 다수로 형성되어, 웨이퍼의 종류에 따라 사용되는 슬러리가 서로 다르더라도, 서로 다른 슬러리가 서로 다른 슬러리 공급로를 통해 혼합되지 않고 연마 패드 상에 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연마 패드에 잔류하는 이물질을 세정하기 위하여 순수 분사 노즐로부터 연마 패드 상에 순수를 고압 분사함에 있어서, 상온보다 높은 고온으로 가열된 순수를 분사함으로써, 연마 패드에 고착된 이물질이 연마 패드로부터 쉽게 분리되어 세정 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 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.
이와 동시에, 본 발명은, 웨이퍼의 화학적 연마 공정을 위하여 연마 패드 상에 공급하는 슬러리의 온도를 상온보다 높은 온도로 조절하여 공급함으로써, 웨이퍼와 연마 패드의 마찰에 의한 온도 상승이 이루어지기 이전에, 온도 조절된 슬러리에 의해 웨이퍼의 화학적 연마를 즉시 일어나게 유도함으로써, 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 공정 중에 단위 시간당 연마량이 작은 초기 단계에 소요되는 시간을 단축함으로써, 전체적인 화학 기계적 연마 공정에 소요되는 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 하나의 몸체로 이루어지는 노즐바에 순수 분사 노즐과 슬러리 공급 노즐을 배치하여 콤팩트한 구조를 이루면서 위치 제어를 보다 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 연마 패드에 공급되는 슬러리와 순수의 온도를 하나의 온도 조절 기구를 이용하여 동시에 조절할 수 있으므로, 전체적인 공정 제어가 보다 단순해지고 화학 기계적 연마 공정에 적합한 순수 및 슬러리의 온도 조절을 한번에 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 노즐 바를 이용하여 라인 형태의 순수를 상온보다 높게 온도 제어하여 고압 분사함으로써, 연마 패드에 잔류하는 이물질의 제거에 소요되는 시간을 단축하고 보다 깨끗하게 연마 패드를 세정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 하나의 노즐 바에 슬러리의 공급통로와 순수의 공급로를 함께 형성함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 슬러리 공급과 순수를 동시에 공급할 경우에 이들을 공급하는 기구적 구성이 서로 간섭되어 충돌할 가능성을 완전히 해소한 잇점이 있다.
또한, 본 발명은 노즐 바에 형성된 순수의 공급로에 열선이나 냉동 사이클을 배치하여 연마 패드의 온도에 따라 실시간으로 공급되는 순수의 온도를 제어함으로써, 연마 패드에 분사되는 순수의 온도를 보다 정확하게 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치를 도시한 정면도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 도2의 연마 패드에 순수를 고압 분사하는 구성을 도시한 평면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도5는 도4의 정면도
도6은 도4의 액체 공급부의 구성을 도시한 사시도,
도7a은 도6의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따른 단면도,
도7b는 본 발명의 다른 형태의 도6의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따른 단면도,
도8은 도6의 노즐바의 다른 형태의 구성을 도시한 사시도,
도9a 및 도9b는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 액체 공급부의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도, 도5는 도4의 정면도, 도6은 도4의 액체 공급부의 구성을 도시한 사시도, 도7a은 도6의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따른 단면도, 도7b는 본 발명의 다른 형태의 도6의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따른 단면도, 도8은 도6의 노즐바의 다른 형태의 구성을 도시한 사시도, 도9a 및 도9b는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 액체 공급부의 구성을 도시한 도면, 도10은 도6의 액체 공급부를 이용한 화학 기계적 연마 공정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 상면에 연마 패드(111)가 입혀진 상태로 구동 모터(M1)에 의하여 회전 구동되는 연마 정반(110)과, 연마 패드(111)에 웨이퍼(W)의 연마면이 접촉한 상태로 하방 가압하면서 회전(120r) 구동시키는 연마 헤드(120)와, 연마 패드(111)의 표면에 컨디셔닝 디스크(131)를 하방 가압하면서 회전(130r)시켜 연마 패드(111)의 표면을 개질하는 컨디셔너(130)와, 연마 패드(111)의 표면에 슬러리(154a)와 순수(150a)를 선택적으로 공급하는 액체 공급부(150)와, 액체 공급부(150)를 통해 공급되는 순수(150a)와 슬러리(154a)를 제어하는 제어부(160)와, 연마 패드(110)의 온도를 측정하는 패드 온도 센서(T)를 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(110)은 상면이 원판 형태로 형성되고, 원판의 상면에는 웨이퍼(W)의 연마층과 접촉하면서 웨이퍼(W)의 기계적 연마를 행하는 연마 패드(111)가 입혀진다. 그리고, 연마 정반(110)의 원판의 중심에는 하방으로 연장된 회전축(115)이 회전 지지부(115b)에 의해 지지된 상태로 회전(111r) 가능하게 설치되며, 회전축(115)은 구동 모터(M1)에 의하여 회전 구동된다.
상기 연마 헤드(120)는 화학 기계적 연마 공정을 행하고자 하는 웨이퍼(W)를 하측에 위치시킨 상태로, 연마 헤드(120)에 마련된 압력 챔버(미도시)에 공압을 공급하여, 압력 챔버의 팽창에 의하여 웨이퍼(W)를 연마 패드(111)를 향하여 가압한다. 이와 동시에, 연마 헤드(120)는 외부로부터 회전 구동력을 전달받아 회전(120r) 구동되어, 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전 구동시킨다.
상기 컨디셔너(130)는 화학 기계적 연마 공정을 행하고자 하는 웨이퍼(W)와 마찰 접촉하는 연마 패드(111)와 접촉한 상태를 유지하는 컨디셔닝 디스크(131)를 하방 가압하면서 회전(130r) 구동한다.
상기 액체 공급부(150)는, 도6에 도시된 바와 같이, 왕복 모터(Md)에 의해 수평 방향으로 정해진 스트로크 만큼 왕복 이동되는 지지 기둥(155)과, 회전 모터(Mr)에 의해 지지 기둥(155)에 대하여 회전(150r) 가능하게 설치되고 길게 연장된 노즐 바(152)와, 노즐 바(152)의 길이 방향을 따라 배치되어 온도 조절된 순수(150a)를 분사하는 순수 분사 노즐(151)과, 노즐 바(152)의 끝단부에 배치되어 여러 종류 중 어느 하나 이상의 슬러리(154a)를 공급하는 슬러리 공급 노즐(154)로 구성된다. 즉, 하나의 몸체로 형성되는 노즐 바(152)에 순수 분사 노즐(151)과 슬러리 공급 노즐(154)이 함께 설치되고, 이들의 온도를 동시에 제어할 수 있다.
여기서, 노즐 바(152)에는 순수 공급부(Dc)로부터 순수가 공급되는 순수 공급로(Pm)가 순수 분사 노즐(151)까지 연장 형성되고, 순수 공급로(Pm)에는 공급되고 있는 순수를 가열하는 열선(159)이 형성된다. 경우에 따라서는, 냉동 사이클(156)에 의하여 냉기나 열기 중 어느 하나를 순수 공급로(Pm)에 선택적으로 공급하여, 공급되고 있는 순수의 온도를 실시간으로 조절할 수도 있다.
여기서, 순수 분사 노즐(151)은, 도7a에 도시된 바와 같이 순수(150a)를 분사하는 토출구(151e)가 노즐 바(152)의 길이 방향을 따라 동일한 높이로 다수로 배치된 형태로 형성될 수 있고, 도7b에 도시된 바와 같이 순수(150a)를 분사하는 토출구(151e)가 노즐 바(152)의 끝단으로 갈수록 길이 방향을 따라 점점 높은 높이로 다수로 배치된 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 순수 분사 노즐(151')은, 도8에 도시된 바와 같이 순수(150a)를 분사하는 토출구(151e')가 노즐 바(152)의 길이 방향을 따라 폭이 좁고 길이가 긴 슬릿(slit) 형태로 형성될 수도 있다.
도7a 내지 도8에 도시된 어느 형태이든지, 순수 분사 노즐(151, 151')은 노즐 바(152)에 일자(一字) 형태로 배치되어 정해진 길이에서 순수(150a)를 연마 패드(111)에 긴 일자(一字) 형태로 한번에 분사하므로, 보다 넓은 면적에 걸쳐 연마 패드(111)에 잔류하는 이물질을 밀어내면서 연마 패드(111)의 바깥으로 밀어내면서 세정하므로, 세정 시간을 단축하면서도 보다 깨끗하게 연마 패드(111)를 세정할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
그리고, 노즐 바(152)에는 여러 종류의 슬러리를 각각 공급하는 슬러리 공급부(S1c, S2c, S3c)로부터 슬러리가 공급되는 슬러리 공급로(P1, P2, P3)가 서로 격리된 다수로 형성되고, 각각의 슬러리 공급로(P1, P2, P3)마다 각각의 슬러리 공급구가 형성된 슬러리 공급 노즐을 형성한다. 이를 통해, 하나의 화학 기계적 연마 장치에서 동일한 화학 기계적 연마 공정이든 상이한 화학 기계적 연마 공정이든 2개 이상의 슬러리가 사용될 수 있으므로, 서로 다른 슬러리가 서로 혼합되지 않고 연마 패드에 정확하게 공급될 수 있게 된다.
마찬가지로, 노즐 바(152)에는 슬러리 공급부(Sc1, Sc2, Sc3)로부터 슬러리가 공급되는 슬러리 공급로(P1, P2, P3)가 슬러리 토출구(1541, 1542, 1543; 154)까지 연장 형성되고, 슬러리 공급로(P1, P2, P3)에는 공급되고 있는 슬러리를 가열하는 열선(159)이 설치된다. 경우에 따라서는, 냉동 사이클(156)에 의하여 냉기나 열기 중 어느 하나를 슬러리 공급로(P1, P2, P3)에 동시에 또는 선택적으로 공급하여, 공급되고 있는 슬러리의 온도를 실시간으로 조절할 수도 있다.
이 때, 슬러리 공급로(P1, P2, P3)를 통해 공급되는 슬러리의 온도는 순수 공급로(Pm)를 통해 공급되고 있는 순수의 온도와 별개로 구분하여 독립적으로 제어될 수도 있지만, 슬러리 공급로(P1, P2, P3)를 통해 공급되는 슬러리의 온도는 순수 공급로(Pm)를 통해 공급되고 있는 순수의 온도를 함께 동시에 제어할 수도 있다. 이를 통해, 연마 패드(111) 상에 공급되는 순수(150a)와 슬러리의 온도가 슬러리의 화학적 연마를 위한 화학 반응에 적합한 온도로 유지되어, 온도 제어를 위한 구조를 단순화하여 콤팩트한 구조를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 화학 기계적 연마 공정 중에 슬러리와 순수의 온도 제어를 단순하게 행할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
여기서, 슬러리(154a)는 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 회전에 의한 원심력에 의하여 웨이퍼(W)로 전달되므로, 슬러리 공급 노즐(154)은 연마 패드(11)의 중심부에 슬러리(154a)를 공급하는 위치에 배치되는 것이 바람직하고, 순수 분사 노즐(151)로부터 고압 분사되는 순수(150a)는 화학 기계적 연마 공정 이전이나 공정 중에 연마 패드(11)에 잔류하는 이물질을 신속하게 제거할 필요가 있으므로, 순수 분사 노즐(151)은 노즐 바(152)의 길이 방향에 걸쳐 슬릿 형태로 형성되거나 다수로 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 하나의 노즐 바(152)에 순수 분사 노즐(151)과 슬러리 공급 노즐(152)이 함께 배치됨으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 슬러리(154a)를 연마 패드(111)에 공급하면서 순수(150a)로 연마 패드(111)를 세정하는 경우에 기구적으로 서로 간섭되거나 충돌되는 것을 근본적으로 방지할 수 있다.
한편, 순수 분사 노즐(151)은 도9a에 도시된 바와 같이, 중력 방향에 평행한 연직면에 대하여 경사(ang)진 방향으로 순수(150a)를 연마 패드(111)에 고압 분사하게 구성될 수도 있다. 이를 통해, 분사된 순수(150a)에 의하여 연마 패드(111) 상에 잔류하는 이물질을 경사진 방향(99)으로 쓸어서 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 이 때, 노즐 바(152)는 제 자리에 위치한 상태에서 연마 정반(110)이 자전하는 것에 의해 연마 패드(111) 상의 이물질을 쓸어 제거하는 형태로 세정할 수 있다.
이 경우에 슬러리 공급 노즐(154)은 슬러리(154a)를 경사진 방향으로 토출하여 연마 패드(111)에 공급할 수도 있지만, 도9a에 도시된 바와 같이 슬러리(154a)의 낙하 위치를 정확하게 제어할 수 있도록 중력 방향으로 공급할 수 있다.
도7b에 도시된 바와 같이, 노즐 바(152)의 끝단으로 접근할 수록 순수(150a)가 분사되는 토출구(151e)의 위치를 보다 상측에 순수 분사 노즐(151)을 위치하도록 배치할 수도 있다. 이 경우에는, 도9b에 도시된 바와 같이, 연마 패드(111)의 중심부에 근접한 토출구(151i)에서는 낮은 높이에서 순수(150a)를 분사하여 좁은 면적에만 순수를 공급하는 반면에, 연마 패드(111)의 가장자리에 근접한 토출구(151o)에서는 높은 높이에서 순수(150a)를 분사하여 넓은 면적에만 순수를 공급함으로써, 자전하는 연마 패드(111)의 선속도 차이에 관계없이 순수의 접촉 시간을 연마 패드(11) 전체 표면에 걸쳐 균일하게 조정할 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만, 보다 높은 높이에서 순수를 분사하는 토출구(151o)와 연통되는 관은 보다 단면이 크게 형성되어 낮은 높이에서 순수를 분사하는 토출구(151i)에 비하여 보다 많은 유량이 연마 패드(111)에 공급되게 하여, 연마 패드(111)의 반경 길이에 따른 선속도의 편차를 보상한다. 또한, 보다 높은 높이에서 순수를 분사하는 토출구(151o)에서는 보다 낮은 토출구(151i)에서 분사하는 순수의 토출압보다 더 크게 조절되어, 연마 패드(111)의 반경 길이에 따른 선속도의 편차를 보상할 수 있다.
상기 제어부(160)는, 노즐 바(152)의 슬러리 공급로(P1, P2, P3) 중 어느 하나 이상을 통해 슬러리 공급 노즐(154)로 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(S1c, S2c, S3c)와, 노즐 바(152)의 순수 공급로(Pm)를 통해 순수 공급 노즐(151, 151')로 순수(150a)를 공급하는 순수 공급부(Dc)와, 연마 패드(111)의 온도를 측정하는 온도 센서(T)로부터 측정 온도값을 수신하여 열선(159) 및 냉동 사이클을 제어하여 순수 공급로(Pm)를 통과하는 순수의 온도와 슬러리 공급로(P1, P2, P3)를 통과하는 슬러리의 온도를 제어하는 온도 조절부(Tc)로 구성된다. 한편, 도면에 도시되지 않았지만, 순수 분사 노즐(151)과 슬러리 공급 노즐(154)을 통해 토출되는 순수 및 슬러리의 온도를 측정하는 온도 측정부를 추가적으로 구비하고, 온도 측정부에서 측정된 순수의 온도에 기초하여 열선(159)과 냉동 사이클(156) 중 어느 하나 이상을 제어하도록 구성될 수도 있다.
즉, 제어부(160)의 온도 조절부(Tc)는 온도 측정부에 의하여 측정된 공급 중인 순수 온도 및 슬러리 온도와, 온도 센서(T)에 의해 측정된 연마 패드(111)의 온도 중 어느 하나 이상이 각각의 타겟 온도에 도달하도록 피드백 제어로 조절될 수 있다.
따라서, 노즐 바(152)에 형성된 순수의 공급로(Pm)에 열선(159)이나 냉동 사이클(156)을 배치하여, 연마 패드(11)에 실시간으로 공급되는 순수(150a) 및 슬러리의 온도를 제어하여, 웨이퍼 종류에 따라 화학 기계적 연마 공정에 적합한 타겟 온도로 연마 패드(11)의 온도가 되게 연마 패드(11)의 온도가 제어됨으로써, 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.
또한, 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전에 상온에 비하여 높은 온도(예를 들어, 섭씨 30도 내지 95도)로 가열된 순수를 연마 패드(111)에 공급하여 세정함으로써, 연마 패드(111)에 고착된 이물질을 보다 쉽게 분리시켜 세정 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 슬러리에 의한 화학적 연마 공정이 일어나기 적합한 온도 조건에서 화학 기계적 연마 공정이 이루어지기 시작하여, 단위 시간당 연마량이 낮은 상태로 유지되는 초기 단계에 소요되는 시간을 단축하여 전체적인 연마 공정 시간을 단축하는 효과를 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 노즐 바(152)에 일자 형태로 배열된 순수 분사 노즐(151, 151')을 통해 온도 조절된 순수(150a)를 연마 패드(111) 상에 고압 분사함으로써, 연마 패드(111) 상의 연마 입자나 오염된 슬러리 등의 이물질을 짧은 시간 내에 밀어내어 제거할 수 있으며, 동시에 연마 패드(111)를 상온보다 높은 고온으로 유지시킴으로써 화학적 연마 시간을 보다 단축할 수 있게 되어, 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키면서 웨이퍼의 연마 시간을 단축할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 하나의 노즐 바(152)에 다수의 슬러리의 공급통로(P1, P2, P3)와 순수(150a)의 공급로(Pm)를 함께 형성하고 노즐(154, 151)을 배치함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 슬러리와 순수를 동시에 연마 패드(111) 상에 공급하더라도, 이들(150a, 154a)을 공급하는 기구적 구성이 서로 간섭되어 충돌할 가능성을 완전히 해소할 수 있다. 그리고, 본 발명은 노즐 바에 형성된 순수의 공급로에 열선(159)이나 냉동 사이클(156)을 배치하여 연마 패드의 온도에 따라 실시간으로 공급되는 순수 및 슬러리의 온도를 동시에 제어함으로써, 연마 패드에 분사되는 순수 및 슬러리의 온도를 보다 정확하고 용이하게 제어할 수 있는 효과를 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.
W: 웨이퍼 100: 화학 기계적 연마 장치.
110: 연마 정반 111: 연마 패드
150: 액체 공급부 151, 151': 순수 분사 노즐
152: 노즐 바 154: 슬러리 공급 노즐
156: 냉동 사이클 159: 열선
160: 제어부 T: 온도 센서
Tc : 온도 조절부 Pm: 순수 공급로
P1, P2, P3: 슬러리 공급로

Claims (15)

  1. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 연마하는 연마 패드를 상측에 구비한 연마 정반과;
    온도 조절된 순수를 상기 연마 패드 상에 분사하는 순수 분사 노즐과, 온도 조절된 슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하는 슬러리 공급노즐이 하나의 몸체에 형성되어 순수와 슬러리 중 어느 하나 이상을 공급하는 액체 공급부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬러리와 상기 순수는 동시에 온도 조절되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 순수 분사 노즐을 통해 분사되는 순수는 상온보다 높은 온도로 온도 조절된 상태로 상기 연마 패드 상에 분사되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 순수 분사 노즐에서 분사되기 이전에 순수를 공급하는 순수 공급로와 상기 슬러리 공급 노즐에서 토출되기 이전에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급로에 열선이 배치되어, 상기 순수와 상기 슬러리 중 어느 하나 이상의 온도를 실시간으로 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 슬러리 공급통로는 서로 격리된 다수로 형성되고, 상기 슬러리 공급 노즐은 상기 슬러리 공급로마다 슬러리 공급구가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 순수 분사 노즐은 분사되기 이전에 순수를 공급하는 순수 공급로와 상기 슬러리 공급 노즐에서 토출되기 이전에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급로에 냉동 사이클에 의한 온도 조절부가 배치되어, 상기 순수 공급로와 상기 슬러리 공급로를 통해 공급되는 순수와 슬러리 중 어느 하나 이상의 온도를 실시간으로 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 순수 분사 노즐에 의하여 분사되는 순수의 온도를 측정하는 순수 온도 측정부를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 순수 온도 측정부에 의하여 측정된 공급되는 순수의 온도가 타겟 온도에 도달하도록 피드백 제어로 조절되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 온도 센서에 의하여 측정된 상기 연마 패드의 온도가 타겟 온도에 도달하도록 피드백 제어로 조절되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순수 공급 노즐과 상기 슬러리 공급 노즐은 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 연장된 노즐 바에 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 순수 공급 노즐은 상기 노즐 바에 일자(一字)로 다수 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 순수 공급 노즐은 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 길게 뻗은 슬릿 형태의 토출구를 구비한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 노즐 바는 순수를 공급하는 동안에 회전축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 연마 정반은 순수를 공급하는 동안에 회전하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.


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