KR20160145305A - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 패드가 상면에 입혀지고 회전 구동되는 연마 정반과; 상면은 냉각부로 저면은 가열부가 되게 상기 연마 패드의 저면에 배치된 열전 소자와; 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 전원공급부를; 포함하여 구성되어, 연마 패드의 저면에 배치된 열전 소자에 전원이 공급되면서 그 상면의 냉기로 연마 패드에서 발생되는 열을 배출시킴으로써, 웨이퍼의 연마 공정이 일정한 온도 범위 내에서 이루어지게 되어 연마 품질의 신뢰성을 향상시키는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화학 기계적 연마 공정이 진행되면서 웨이퍼와 연마 패드의 마찰 등에 의하여 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 일정한 온도에서 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 웨이퍼과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 연마 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 하측에 위치시키고 연마 패드(11)의 상면에 접촉하게 하면서 회전시키는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 미리 정해진 가압력(20F)으로 가압하여 미세하게 절삭하여 연마 패드(11)의 표면에 형성된 미공이 표면에 지속적으로 유지되게 개질하는 컨디셔너와, 연마 패드(11) 상에 슬러리(40a)를 공급하여 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 행해지게 하는 슬러리 공급부(40)로 구성된다.
연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되고, 회전축(15)이 구동부(M)에 의하여 회전 구동되어 회전 운동한다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)는 회전(11r)된다.
연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 연마 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(W)를 파지하는 캐리어 헤드(21)와, 캐리어 헤드(21)를 회전 구동하면서 일정한 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 연마 아암(22)으로 구성된다.
컨디셔너(30)는 연마 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포된 미세 기공들이 막히지 않도록, 컨디셔닝 디스크(31)를 하방으로 가압(30F)하면서 회전(30r)하고 동시에 정해진 각도만큼 왕복 이동(30d)하는 것에 의해 연마 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여, 연마 패드(11)의 미세 기공에 채워졌던 슬러리(31)가 캐리어 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(W)에 원활하게 공급하도록 한다.
한편, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에, 웨이퍼(W)는 연마 패드(11)와 지속적으로 마찰 접촉하면서 연마가 행해지므로, 연마 패드(11)의 온도는 초기에는 낮게 유지되지만, 화학 기계적 연마 공정이 진행될수록 열이 지속적으로 발생되면서 연마 패드(11)의 온도가 상승하게 된다. 이에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 지속될 수록 웨이퍼(W) 주변의 온도 상승에 의하여, 단위 시간당 연마량이 불규칙하게 되면서 웨이퍼의 연마두께를 정교하게 조절할 수 없는 문제가 야기되었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 화학 기계적 연마 공정이 진행되는 동안에 연마 패드의 온도가 마찰에 의하여 지속적으로 상승하여, 화학 기계적 연마 공정이 일정하지 않은 온도에서 행해지는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드에서의 발열량에도 불구하고, 연마 중인 웨이퍼의 온도를 일정하게 유지하여, 신뢰성있는 균일한 연마 공정이 행해지게 하는 것을 목적으로 한다.
이와 동시에, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 회전하는 연마 정반에 설치되어 함께 회전하면서 전력을 자가발전하여, 외부로부터 전원이 공급되지 않더라도 연마 정반과 함께 회전하는 열전 소자 등에 전원을 공급할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 구성을 단순화하면서도 연마 품질을 향상시켜 정확한 웨이퍼 연마층의 두께 제어를 할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 패드가 상면에 입혀지고 회전 구동되는 연마 정반과; 상면은 냉각부로 저면은 가열부가 되게 상기 연마 패드의 저면에 배치된 열전 소자와; 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 전원공급부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이와 같이, 연마 패드의 저면에 연마 패드를 냉각하는 열전 소자를 배치하여, 연마 패드와 웨이퍼의 마찰에 의하여 발생되는 열을 제거함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도가 상승하여 웨이퍼의 화학적 연마와 기계적 연마에 온도에 따른 연마량 편차를 야기하는 현상을 없앨 수 있다.
이 때, 상기 전원 공급부는, 상기 연마 패드 상에서 행해지는 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 단계에서는, 연마 패드 및 웨이퍼의 온도가 낮으므로 상기 열전 소자에 전원을 공급하지 아니하고, 상기 화학 기계적 연마 공정이 정해진 시간만큼 경과하여, 연마 패드 및 웨이퍼의 온도가 예정된 온도를 초과할 때에만 상기 열전 소자에 전원을 공급함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 것을 억제하면서 일정 범위의 온도 범위로 웨이퍼의 온도를 유지할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은, 상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서를; 더 포함하고, 상기 전원 공급부는 연마 패드의 온도가 정해진 온도 이상이 되는 때에만 상기 열전 소자에 전원을 공급한다.
여기서, 상기 정해진 온도는 60℃ 내지 90℃로 정해질 수 있다. 대체로 웨이퍼의 온도가 90℃를 초과하면 연마 패드의 열화 현상에 의하여 패드의 재료적 특성이 변질되거나 웨이퍼와의 마찰 특성이 저하될 수 있기 때문이다.
한편, 상기 온도 센서는 상기 연마 패드에 접촉한 상태로 측정하는 접촉식 온도 센서일 수도 있지만, 연마 패드의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 센서로 형성될 수도 있다.
무엇보다도, 상기 열전 소자는 상면에서 냉각 작용을 하면 저면에서는 발열 작용이 생기게 되는데, 발열이 생기는 열전 소자의 저면에 방열핀을 형성하여, 열전 소자에서 생성되는 열을 주위로 분산시켜 열전 소자의 온도가 과열되는 것을 방지한다.
이 때, 상기 방열 핀과 접촉하는 냉각수가 냉각수 유동통로를 통해 상기 연마 패드의 하측에 유동함으로써, 방열핀의 온도를 낮춰주어 열전 소자의 과열을 방지하면서 지속적으로 연마 패드의 온도를 낮추는 작용을 할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명은 연마 패드의 온도를 식혀주는 열전 소자에 공급되는 전원이 슬립링을 통해 공급되거나 연마 정반과 함께 회전하게 설치된 배터리를 통해 공급될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 본 발명은, 상기 연마 정반의 회전축에는 원주 방향의 둘레에 코일이 다수 설치되고, 상기 연마 정반에 설치된 상기 코일의 둘레에 원주 방향을 따라 N극과 S극의 자석이 배치되어, 상기 연마 정반의 회전에 따라 상기 코일에서 발전되는 전원으로 상기 전원 공급부는 상기 열전 소자에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다.
즉, 화학 기계적 연마 공정을 위하여 회전 구동되는 연마 정반에 원주 방향을 따라 코일을 배치하고, 코일과 반경 방향으로 이격된 위치에 N극과 S극이 교대로 코일을 향하도록 배치하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 버려지는 연마 정반의 회전 구동에 따른 회전 운동 에너지로부터 전자기 유도 원리에 의하여 코일에 전류를 유도하여 열전 소자에 전원으로 공급함으로써, 에너지 절약의 효과가 있을 뿐만 아니라, 복잡한 설치와 필터링 등의 처리를 필요로 하는 슬립링이 없더라도 전기 에너지를 열전 소자에 공급할 수 있게 된다.
이와 같이, 전기 에너지가 회전하는 연마 정반에서 발전하여 축전기에 보관함으로써, 회전하는 연마 정반의 바깥에서 슬립링을 이용하여 전원을 공급하는 것에 비하여, 슬립링을 구비할 필요가 없어질 뿐만 아니라, 발전된 전기 에너지를 곧바로 열전 소자에 공급할 수 있게 되어, 종래 슬립링을 거치면서 발생되던 전원 노이즈의 문제점을 해소할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 코일에서 발전된 전기 에너지를 축전하고, 상기 연마 정반과 함께 회전하게 설치된 축전기를; 더 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 연마 정반이 회전 구동되면서 전자기 유도 원리에 의하여 코일에 유도되는 전기 에너지를 축전기에 보관함으로써, 일정한 품질의 전원을 열전 소자에 공급할 수 있는 잇점도 얻어진다.
이 때, 상기 축전기는 상기 연마 정반의 저면과 회전축 중 어느 하나에 고정될 수 있다. 그리고, 상기 코일은 상기 연마 정반으로부터 연장된 회전축의 둘레에 배치되게 설치될 수 있다.
한편, 상기 센서의 측정값을 비회전 위치에 설치된 상기 제어부에 무선으로 신호 전송하는 송신부를; 더 포함하여 구성되어, 축전기로부터 전기를 공급받아 작동하는 센서류의 신호를 슬립링 없이 곧바로 외부의 제어부에 전달할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연마 패드의 저면에 연마 패드를 냉각하는 열전 소자를 배치하여, 연마 패드와 웨이퍼의 마찰에 의하여 발생되는 열을 열전 소자에 의해 발생되는 냉기로 냉각함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도를 일정 범위로 유지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정이 진행되면서 연마 패드의 온도가 상승하게 되는데, 온도 센서로 연마 패드의 온도를 측정하여 열전 소자에 전원을 간헐적으로 공급하는 것에 의하여 연마 패드의 온도를 일정하게 유지함으로써, 웨이퍼의 연마 공정이 온도에 의해 불균일해지지 않고 일정한 온도 조건 하에서 행해지게 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정을 위하여 회전 구동되는 연마 정반에 원주 방향을 따라 코일을 배치하고, 코일과 반경 방향으로 이격된 위치에 N극과 S극이 교대로 코일을 향하도록 자석을 배치하여, 연마 정반이 회전 구동되면서 전자기 유도 원리에 의하여 코일에 유도되는 전류를 열전 소자에 공급함으로써, 연마 패드의 온도 조절을 외부 전원을 이용하지 않고 조절할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 연마 정반의 회전에 의한 운동 에너지로부터 얻어진 전기 에너지를 축전기에 보관함으로써, 열전 소자에 전원을 공급하지 않는 동안에 발전된 전기에너지를 버리지 않고 전원을 필요로 하는 다른 소자에 공급할 수 있으며, 열전 소자에 공급하는 전원의 품질도 일정 수준으로 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 연마 정반이 회전 구동되면서 전자기 유도 원리에 의하여 코일에 유도되는 전기 에너지를 이용하여 연마 정반과 함께 회전하는 열전 소자를 포함하여 다른 센서류에 전원을 공급할 수 있게 되어, 종래의 슬립링을 제거하여 보다 콤팩트한 구성을 구현할 수 있으면서, 슬립링을 거치지 않아 센서로부터의 신호를 보다 잡음없는 상태로 수신할 수 있는 잇점이 얻어진다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 개략도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 도면,
도4는 도3의 연마 정반의 분해 사시도,
도5는 도3의 'A'부분의 확대도,
도6a은 도3의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 따른 횡단면도,
도6b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 도3의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 대응하는 횡단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)를 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.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)는, 상면에 연마 패드(111)가 입혀지고 구동 모터(M) 등에 의하여 회전 구동되는 연마 정반(110)과, 연마 패드(111)의 저면에 배치되어 선택적으로 연마 패드(111)를 냉각시키는 열전 패드(120)와, 열전 패드(120)의 하측에 형성된 공간(88v)에 냉각수를 유동시키는 유동 제어부(130)와, 연마 정반(110)의 회전축(115)에 주변에 설치되어 연마 정반(110)의 회전에 따라 전기 에너지를 발전시키는 발전 유닛(140)과, 발전 유닛(140)에서 발전된 전기 에너지를 저장하는 축전기(150)와, 연마 패드(111)의 온도를 측정하는 온도 센서(160)와, 온도 센서(160)에서 측정된 연마 패드(111)의 온도를 정해진 온도 범위 내로 유지되도록 열전 소자(122)에 공급하는 전원을 제어하는 제어부(170)와, 연마 정반 상에서 웨이퍼(W)를 가압하면서 자전시키는 연마 헤드(20)와, 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 위하여 슬러리(31)를 공급하는 슬러리 공급부(30)와, 웨이퍼(W)가 접촉하고 있는 연마 패드(111)의 표면을 개질하는 컨디셔너(미도시)로 구성된다.
상기 연마 정반(110)은 상면에는 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하기 위하여 적절한 경도를 갖는 연마 패드(111)가 입혀지고, 연마 정반(110)의 중앙부에는 하방으로 회전축(115)이 연장되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 구동 모터(M)에 의하여 회전 구동된다.
연마 정반(110)의 상면에는 다수의 돌기(110a)가 돌출 형성되어, 열전 패드(120)와의 사잇 공간에 소정의 공간(88v)을 마련한다. 도면에는 열전 패드(120)가 연마 정반(110)의 상면 가장자리(110c)에서만 지지되는 형태로 설치되는 구성이 예시되어 있지만, 돌기(110a)의 상면(110s)이 열전 패드(120)의 저면과 접촉 지지하는 형태로 설치되어, 열전 패드(120)와 연마 패드(111)의 하방으로의 처짐을 억제할 수 있다. 이 경우에는, 후술하는 냉각수 이동통로(88)는 연마 정반(110)의 돌기(110a) 사이의 공간에 의해 형성된다.
상기 열전 패드(120)는 다수의 열전 소자(122)를 패드(129)에 다수 배치되며, 각각의 열전 소자(122)에 전원이 공급되는 전원 공급선(72)이 패드(129)내에 배치되도록 형성된다. 열전 소자(122)는 펠티어(Peltier) 소자로 형성되어, 전원이 공급되면 일면은 주위에 비하여 보다 낮은 온도로 냉각되고 타면은 주위에 비하여 보다 높은 온도로 가열된다. 따라서, 열전 패드(120)에 설치되는 열전 소자(122)는 상면이 냉각면으로 하면이 가열면으로 배치된다.
이에 따라, 축전기(150)는 열전 패드(120)의 다수의 열전 소자(122)에 전원이 공급하는 전원 공급부로서의 역할을 하면서, 전원이 공급된 열전 소자(122)의 상면이 냉각되면서 연마 패드(111)의 온도를 낮추게 된다.
도면에는 열전 소자(122)에 공급되는 전원이 축전기(150)로부터 공급되는 구성이 예시되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 별도의 배터리에 의하여 열전 소자(122)에 전원이 공급될 수도 있고, 축전기(150)를 구비하지 않고 발전 유닛(140)에서 생성된 전원이 곧바로 열전 소자(122)에 공급될 수도 있다.
한편, 열전 패드(120)는 다수의 열전 소자(122)를 패드(129)에 고정하고 있는 구성이 도면에 예시되어 있지만, 연마 패드(111)의 저면에 하나씩 고정된 형태로 구성될 수도 있고, 전체가 하나의 열전 소자로 구성될 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 패드(120)는 상면(122s1)에는 냉각면이 형성되고 하면(122s2)에는 가열면이 형성되는 모든 형태를 포함한다.
그리고, 패드(129)는 비가요성 재질로 형성될 수도 있고 가요성 재질로 형성될 수도 있다. 패드(129)가 비가요성 재질로 형성되는 경우에는, 도4 및 도5에 도시된 바와 같이 연마 정반(110)의 돌기(110a) 상면과 이격되게 배치될 수 있지만, 패드(129)가 가요성 재질로 형성되는 경우에는 연마 정반(110)의 돌기 상면(110s)과 패드(129)의 저면은 밀착되게 설치되는 것이 연마 패드(111)의 하방 변형을 억제하는 측면에서 바람직하다.
한편, 열전 소자(122)의 상면(122s1)의 냉각에 따라 열전 소자(122)의 저면(122s2)에는 열이 발생되는 데, 열전 소자(122)에서의 발열을 보다 원활하게 소산시키기 위하여 열전 소자(122)의 저면에는 다수의 방열핀(122a)이 하방 돌출 형성된다. 그리고, 열전 소자(122)의 저면에 돌출된 방열핀(122a)은 연마 정반(110)의 상면에 형성된 돌기(110a)의 사잇 공간(110b)에 대응하게 배치되어, 열전 소자(110)의 방열핀(122a)은 연마 정반(110)의 돌기(110a)의 사잇 공간(110b)에 수용된다.
이에 따라, 축전기(150)로부터 연장된 전원 공급선(72)을 통해 전원이 각각의 열전 소자(122)에 공급되면, 열전 소자(122)의 상면이 냉각되면서, 연마 패드(111)의 표면의 열을 소산시켜 온도를 낮출 수 있게 된다.
상기 유동 조절부(130)는 열전 패드(120)와 연마 정반(110)의 사이에 형성되는 유동 공간(88v) 내의 냉각수(88)를 유동(88d)시킴으로써, 열전 소자(122)의 방열핀(122a)의 열을 소산시킨다. 이에 의하여, 열전 소자(122)의 하면의 온도를 낮춰줌으로써, 열전 소자(122)의 상면(122s1)의 냉각을 지속적으로 행할 수 있다.
냉각수(88)는 열전 패드(120)와 연마 정반(110)의 사잇 공간(88v)내에 밀폐된 상태로 수용되고, 유동 조절부(130)에 의하여 냉각수(88)가 유동 공간(88v) 내를 유동시키도록 구성된다. 이 경우에, 유동 조절부(130)는 유동 공간(88v) 내에 수용된 소형 모터이거나 소형 펌프로 형성될 수 있으며, 소형 펌프나 소형 펌프는 축전기(150)로부터 전원이 공급된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 유동 조절부(130)는 열전 패드(120)와 연마 정반(110)의 사잇 공간(88v)내에 새로운 냉각수를 공급(130x1)하고, 사잇 공간(88v)을 순환한 냉각수를 배출(130x2)시키도록 구성될 수 있다. 이 경우에는, 자전하는 연마 정반(110)의 공간(88v)에 냉각수(88)의 공급 및 배출이 필요하므로, 공지된 로터리 유니언과 같은 구조물(미도시)이 연마 정반(110)의 외주측에 설치된다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 열전 소자(122)의 저면의 온도와 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서가 추가적으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자(122)의 저면의 온도(예를 들어, 방열핀의 온도)가 기준치보다 높으면, 유동 조절부(130)에 의하여 펌프나 모터를 구동하여 냉각수의 유동 속도를 높임으로써, 열전 소자(122)의 저면 온도를 보다 낮추는데 기여하도록 한다. 이와 동시에, 냉각수의 온도가 방열핀(122a)의 온도에 비하여 5℃ 이하의 온도인 경우에는, 냉각수에 의한 열전 소자(122)의 저면 온도를 낮추는 데 효율이 낮아지므로, 새로운 냉각수를 냉각수 유동통로(88)로 공급(130x1)하고 높아진 온도의 냉각수를 배출(130x2)시킴으로써, 열전 소자(122)의 저면 온도를 낮춰 상면(122s1)에서의 냉각 효율을 향상시킨다.
상기 발전 유닛(140)은, 연마 정반(110)의 회전축(115)의 외주면에 다수 배치된 뭉치 형태의 코일(142)과, 코일(142)과 반경 방향으로 이격된 위치에 설치된 자석(143, 143')을 포함하여 이루어진다.
상기 코일(142)은 연마 정반(110)의 외주면(110x)에 원주 방향을 따라 다수 배치될 수도 있고, 도3에 도시된 바와 같이 회전축(115)의 둘레에 원주 방향을 따라 다수 배치될 수도 있다. 코일(142)을 형성하는 각각의 소선은 축전기로 연결(71)되어, 코일(142)에 유도되는 전류를 축전기(150)에서 저장할 수 있도록 구성된다.
도면에는 코일(142)이 회전축(115)의 외주면에 낮은 높이로 장착된 구성을 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 코일(142)은 회전축(115)을 관통하는 형태로 요크를 감는 코일 소선이 보다 길게 감기게 형성될 수도 있다.
상기 자석(143, 143')은 코일(142)로부터 반경 방향으로 정해진 간격만큼 이격된 위치에 배열된다. 도3a에 도시된 바와 같이 자석(143)은 1쌍으로만 코일(142)을 감싸는 형태로 배치될 수도 있고, 도3b에 도시된 바와 같이 자석(143')은 2쌍 이상으로 회전축(115)을 감싸는 형태로 S극과 N극이 교대로 배치될 수도 있다.
그리고, 자석(143, 143')은 영구 자석으로 설치되는 것이 일반적이지만, 코일(142)에 유도되는 전류의 세기를 조절하기 위하여 전자석으로 형성될 수도 있다.
도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 코일(142)과 자석(143)이 배치됨에 따라, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 정반(110)이 회전하면, 회전축(115)도 함께 회전하면서 다수의 코일(142)이 대향하는 자석(143)의 극이 변할때마다 코일을 관통하는 자력(Mg)의 방향이 변경되고, 자력(Mg)에 따라 코일(142)에 전류가 유도되어 소선(71)을 통해 축전기(150)에 전류를 저장할 수 있다.
상기 축전기(150)는 화학 기계적 연마 공정 중에 회전하는 연마 정반(110)에 고정된 코일(142)에 유도된 전류를 연결 소선(71)을 통해 수신하여 전기 에너지로 저장한다. 이 때, 코일(142)에 유도되는 전류는 소선의 연결 형태에 따라 직류나 교류의 파형을 모두 가질 수 있는데, 축전기(150)에 수신되는 전류가 교류의 파형을 갖는 경우에는 이를 정류시키는 정류자가 축전기(150)에 구비될 수 있다.
이와 같이, 화학 기계적 연마 공정 중에 회전하는 연마 정반(110)의 회전 운동 에너지를 이용하여 연마 정반의 축전기(150)에 전기 에너지를 충전해놓을 수 있다.
상기 온도 센서(160)는 도3에 도시된 바와 같이 광을 조사하여 연마 패드(111)의 온도를 실시간으로 비접촉 방식으로 측정하고, 측정된 온도를 제어부(170)로 실시간 전송한다. 연마 패드(111)의 온도를 비접촉 방식으로 측정함에 따라, 온도 센서(160)는 제어부(170)로 직접 유선 방식으로 온도 데이터를 전송할 수 있다.
도면에는 온도 센서(160)가 광을 이용한 비접촉 방식으로 연마 패드(111)의 온도를 측정하는 구성이 예시되어 있지만, 열전대(thermocouple)와 같이 접촉 방식의 온도 센서로 연마 패드(111)의 저면에 심어진 상태로 설치될 수 있다. 열전대와 같은 접촉 방식의 온도 센서에 공급하는 전원은 축전기(150)로부터 공급받거나 발전 유닛(140)으로부터 공급받을 수 있다.
상기 제어부(170)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 각종 구성 요소를 제어한다. 예를 들어, 연마 패드(111) 상에서 연마 공정이 행해지고 있는 웨이퍼(W)의 연마두께 데이터를 수신하여, 연마 헤드(20)의 회전 속도나 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력 등과, 슬러리 공급부(40)에서 공급되는 슬러리의 양 등을 조절한다.
그리고, 제어부(170)는 온도 센서(160)로부터 연마 패드(111)의 온도 데이터를 실시간으로 수신하여, 연마 패드(111)의 온도가 웨이퍼 연마층에 따른 최적의 온도 범위로 유지되도록 열전 소자(122)에 공급하는 전원을 제어한다. 이와 동시에, 제어부(70)는 제2온도 센서에 의해 전송된 열전 소자(122)의 저면 온도와 냉각수의 온도 중 어느 하나 이상이 정해진 값(예를 들어, 50℃ 내지 60℃)를 초과하면, 유동 조절부(130)는 새로운 차가운 냉각수를 냉각수 이동 통로(88v)로 공급(130x1)하고, 기존의 데워진 냉각수는 냉각수 이동 통로(88v)로부터 배출시킨다.
이를 통해, 열전 소자(122)의 저면의 온도를 낮게 유지할 수 있게 되어, 열전 소자(122)의 상면(122s1)에서의 온도를 보다 낮게 유도하여, 연마 패드(111)의 온도 상승을 열전 소자(122)의 상면(122s1) 온도를 낮추는 것에 의해 억제할 수 있게 된다.
한편, 제어부(170)는 화학 기계적 연마 공정의 시작부터 열전 소자(122)에 전원을 공급할 수도 있다. 그러나, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에는 웨이퍼(W)와 연마 패드(111)의 마찰에 의한 온도 상승폭이 크지 않고, 대략 20℃의 상온에 비하여 약 40℃ 이상의 고온에서 웨이퍼의 화학적 연마가 원활히 일어나므로, 화학 기계적 연마 공정이 시작된 후 연마 패드(111)의 온도가 정해진 온도에 도달할 때까지는 열전 소자(122)에 전원을 공급하지 않다가, 연마 패드(111)의 온도가 60℃ 내지 90℃에 도달한 것으로 온도 센서(160)로부터 온도 데이터를 수신하면, 제어부(170)는 열전 소자(122)에 전원을 공급한다. 이에 의하여, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정의 속도를 저하시키지 않으면서, 열전 소자(122)의 상면 냉각에 의하여 연마 패드(111)에서 발생되는 열을 빼앗아, 연마 패드(111)가 과열되지 않고 정해진 온도 범위로 유지하여, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 일정한 온도 조건 하에서 행해지게 할 수 있다.
한편, 화학 기계적 연마 장치는, 회전 중심으로부터 서로 다른 길이만큼 반경 방향으로 이격된 위치에 설치되어, 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼의 연마면으로부터 광신호 또는 와전류 신호를 수신하여 웨이퍼 연마층의 두께 또는 웨이퍼 연마종료시점을 파악하는 데 사용되는 센서를 구비하고 있다. 따라서, 제어부(170)는 센서(160)가 작동하기 위한 전원이 축전기(150)에 충전된 전기 에너지로 연결선(72, 73)을 통해 공급하여, 슬립링을 거치지 않고 화학 기계적 연마 공정 중에 발전된 전기 에너지를 이용하여 작동 전원을 공급할 수 있게 되어, 연마 정반(110)과 함께 회전하는 구성 요소들로부터의 출력 신호로부터 전원 노이즈 효과를 배제하여 보다 깨끗한 잡음 없는 신호를 얻거나 잡음없는 전원에 의하여 신뢰성있는 작동 상태를 보장할 수 있다. 더욱이, 연마 정반(110)의 회전축(115)에 슬립링을 설치할 필요가 없어지므로 구성도 보다 단순화되는 잇점이 얻어진다.
한편, 연마 정반(110) 상에는 축전기(150)로부터 전원을 공급받아 작동하는 통신부(155)가 구비되어, 주파수 전송방식과 같이 무선으로 제어부(170)에 다양한 출력 신호(예를 들어, 웨이퍼 연마층 두께 데이터 등)를 전송한다. 이 때, 통신부(155)에서 필요로 하는 전원도 축전기(150)로부터 공급받는다.
따라서, 연마 정반(110)과 제어부(170)의 사이에는 슬립링을 완전히 배제할 수 있고, 연마 정반(110)과 함께 회전하는 공정 변수(예를 들어, 온도, 가압력, 연마층 두께)를 감지하기 위한 센서들로부터의 출력 신호를 무선으로 제어부(170)에 전송함에 따라 슬립링을 통해 제어부로 출력 신호를 전송하던 종래에 비하여 잡음을 크게 낮출수 있는 잇점이 얻어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 연마 패드(111)의 저면에 연마 패드(111)를 냉각하는 열전 소자(122)를 배치하여, 연마 패드(111)와 웨이퍼(W)의 마찰에 의하여 발생되는 열을 열전 소자(122)에 의해 낮춰진 온도로 냉각함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도를 일정 범위로 유지할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼(W)의 연마 공정이 온도에 의해 불균일해지지 않고 일정한 온도 조건 하에서 행해지게 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명은, 연마 패드(111)의 저면에 열전 소자(122)가 배치되어, 열전 소자(122)에 전원이 공급되면서 그 상면의 냉기로 연마 패드(111)에서 발생되는 열을 배출시킴으로써, 웨이퍼의 연마 공정이 일정한 온도 범위 내에서 이루어지게 되어 연마 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 잇점이 얻어진다.
더욱이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정을 위하여 회전 구동되는 연마 정반(110)에 원주 방향을 따라 코일(142)을 배치하고, 코일(142)과 반경 방향으로 이격된 위치에 N극과 S극이 교대로 코일(142)을 향하도록 자석(143)을 배치하여, 연마 정반(110)이 회전 구동되면서 전자기 유도 원리에 의하여 코일(142)에 유도되는 전류를 축전기(150)에 보관하여 연마 정반(110)과 함께 회전하는 열전 소자(122) 등에 공급함으로써, 슬립링 없는 구조를 구현하고 동시에 잡음없는 깨끗한 전원이 공급되면서 안정적인 공정 변수의 측정과 제어를 가능하게 하는 유리한 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 20: 연마 헤드
30: 슬러리 공급부 100: 화학 기계적 연마 장치
110: 연마 정반 111: 연마 패드
115: 회전축 120: 열전 패드
122: 열전 소자 130: 유동 제어부
140: 발전 유닛 142: 코일
143: 자석 150: 축전기
155: 통신부 160: 온도 센서
170: 제어부

Claims (14)

  1. 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마 패드가 상면에 입혀지고 회전 구동되는 연마 정반과;
    상면은 냉각부로 저면은 가열부가 되게 상기 연마 패드의 저면에 배치된 열전 소자와;
    상기 열전 소자에 전원을 공급하는 전원공급부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 상기 연마 패드 상에서 행해지는 화학 기계적 연마 공정이 시작되는 단계에서는 상기 열전 소자에 전원을 공급하지 아니하고, 상기 화학 기계적 연마 공정이 정해진 시간만큼 경과한 이후에 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서를;
    더 포함하고, 상기 전원 공급부는 연마 패드의 온도가 정해진 온도 이상이 되면 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 정해진 온도는 60℃ 내지 90℃인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 연마 패드의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소자의 저면에는 방열 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 핀과 접촉하는 냉각수가 상기 연마 패드의 하측에 유동하는 냉각수 유동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 냉각수 유동통로 내에서 유동하는 냉각수의 흐름을 조절하는 유동 조절부를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 정반의 회전축에는 원주 방향의 둘레에 코일이 다수 설치되고, 상기 연마 정반에 설치된 상기 코일의 둘레에 원주 방향을 따라 N극과 S극의 자석이 배치되어, 상기 연마 정반의 회전에 따라 상기 코일에서 발전되는 전원으로 상기 전원 공급부는 상기 열전 소자에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 코일에서 발전된 전기 에너지를 축전하고, 상기 연마 정반과 함께 회전하게 설치된 축전기를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 축전기는 상기 연마 정반의 저면과 회전축 중 어느 하나에 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 코일은 상기 연마 정반으로부터 연장된 회전축의 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 자석은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 자석은 상기 코일과 이격된 위치에 2개의 쌍 이상으로 배치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
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