KR20220134327A - 기판 연마 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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정희철
윤근식
심형섭
신성호
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주식회사 케이씨텍
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Abstract

일 실시 예에 따른 연마패드를 통해 기판을 연마하는 기판 연마 방법은, 상기 기판을 연마하기 이전에, 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 상기 연마패드의 온도를 상승시키는 프리 히팅 단계; 및 상기 기판의 연마 과정에서, 상기 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 상기 연마패드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를 포함할 수 있다.

Description

기판 연마 시스템 및 그 방법{WAFER PLOISHING SYSTEM AND METHOD THEREOF}
아래의 실시 예는 기판 연마 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
기판의 제조에는, 연마와 버핑(buffing) 및 세정을 포함하는 CMP(chemical mechanical polishing) 작업이 필요하다. 기판의 CMP 작업에는, 연마패드를 통해 기판의 피연마면을 연마하는 공정이 요구된다. CMP 장치는 기판의 일면 또는 양면을 연마, 버핑 및 세정하기 위한 구성요소로서, 기판을 지지하는 캐리어, 기판의 표면을 물리적으로 마모시키는 연마패드를 포함한다. 기판 연마 과정에서, 연마패드에 의해 연마되는 기판 부위에는 슬러리가 공급될 수 있다.
슬러리는 기판 및 연마패드 사이에 공급되어, 슬러리 입자 및 연마패드 표면 돌기에 의한 기계적 마찰을 통해 기판의 연마를 수행하는 동시에, 슬러리를 구성하는 조성물에 의한 화학반응을 통해 기판의 표면을 연마할 수 있다. 이 경우, 슬러리를 통한 화학반응은 연마패드의 물성 변화를 유도할 수 있는데, 이러한 화학반응은 슬러리의 온도에 연관되어 있으며, 종국적으로는 기판의 연마율에 영향을 끼칠 수 있다.
종래에는, 탱크 내에 슬러리를 저장하고, 저장된 슬러리의 온도를 일괄적으로 조절하여 기판에 공급하였으나, 이는 슬러리의 유동과정에서 온도가 변화하거나 연마패드에 공급되는 슬러리의 온도를 세밀하게 조절하기 어려웠다.
따라서, 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도를 균일하고 세밀하게 조절하기 위한 기술이 요구되는 실정이다.
일 실시 예에 따른 목적은, 기판 연마 과정에서 연마패드에 공급되는 슬러리를 통해 연마패드의 온도를 조절할 수 있는 기판 연마 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은, 연마패드의 온도 컨트롤을 통해 기판의 연마율 상승과, 열화 방지 효과를 동시에 확보할 수 있는 기판 연마 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 연마패드를 통해 기판을 연마하는 기판 연마 방법은, 상기 기판을 연마하기 이전에, 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 상기 연마패드의 온도를 상승시키는 프리 히팅 단계; 및 상기 기판의 연마 과정에서, 상기 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 상기 연마패드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를 포함할 수 있다.
상기 프리 히팅 단계에서 공급되는 순수의 온도는 20℃ 내지 80℃일 수 있다.
상기 온도 제어 단계에서 공급되는 슬러리의 온도는 0℃ 내지 80℃일 수 있다.
상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 감소시킬 수 있다.
상기 냉각 단계는, 상기 연마패드로 -10℃ 내지 10℃의 온도를 갖는 냉각된 슬러리를 공급하는 냉각 슬러리 공급 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각 단계는, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 고유량 순수 공급 단계를 포함할 수 있다.
상기 고유량 순수 공급 단계는 1초 내지 2초간 수행될 수 있다.
상기 냉각 단계는, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력을 감소시키는 가압력 감소 단계를 포함할 수 있다.
상기 가압력 감소 단계는, 상기 연마 과정에서 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력의 2/3에 해당하는 압력으로 압력을 감소시키는 단계일 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템은, 기판을 연마하는 연마패드의 상부에 배치되고, 내부 수용공간을 형성하는 공급 암; 상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판을 연마하기 이전에 상기 연마패드의 온도를 상승시키기 위하여 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하는 제1 히팅 모듈; 상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판의 연마 과정에서 상기 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 상기 연마패드로 가열된 슬러리를 공급하는 제2 히팅 모듈; 및 상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판의 연마 과정에서 상기 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급하는 냉각 모듈을 포함할 수 있다.
상기 기판을 연마하기 이전에, 상기 제1 히팅 모듈에서 공급되는 순수의 온도는 20℃ 내지 80℃일 수 있다.
상기 연마 과정에서, 상기 제2 히팅 모듈에서 공급되는 슬러리의 온도는 0℃ 내지 80℃일 수 있다.
상기 냉각 모듈은 상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 감소시키기 위하여 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급할 수 있다.
상기 연마 과정의 말기에서, 상기 냉각 모듈에서 공급되는 슬러리의 온도는 -10℃ 내지 10℃일 수 있다.
상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 순수 공급 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 순수 공급 모듈은 1초 내지 2초간 순수를 공급하도록 구성될 수 있다.
상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력은 감소될 수 있다.
상기 연마 과정의 말기에서 상기 기판을 가압하는 압력은 상기 연마 과정에서 상기 기판을 가압하는 압력의 2/3일 수 있다.
일 실시 예에 따른 연마패드를 통해 기판을 연마하는 기판 연마 방법은, 상기 기판의 연마 과정 초기에서, 상기 연마패드의 온도를 제1 온도로 조절하는 단계; 상기 기판의 연마 과정 중기에서, 상기 연마패드의 온도를 제2 온도로 조절하는 단계; 및 상기 기판의 연마 과정 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마패드의 온도를 제1 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 상기 연마패드의 온도를 상기 제1 온도로 상승시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마패드의 온도를 제2 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 상기 연마패드의 온도를 상기 제2 온도로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템 및 그 방법에 의하면, 기판 연마 과정에서 연마패드에 공급되는 슬러리를 통해 연마패드의 온도를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템 및 그 방법에 의하면, 연마패드의 온도 컨트롤을 통해 기판의 연마율 상승과, 열화 방지 효과를 동시에 확보할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템 및 그 방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도와 기판 연마율의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도와 기판 표면의 평탄도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템의 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템의 평면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 슬러리 공급 장치의 투시 사시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 히팅 모듈의 사시도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 히팅 모듈의 평면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 냉각 모듈의 사시도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 기판 연마 방법의 순서도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 냉각 단계의 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 슬러리 공급 장치를 포함하는 기판 연마 시스템에 대해서 설명하도록 한다. 기판 연마 시스템은 기판의 화학적 기계적 평탄화 공정(CMP, Chemical Mechanical Planarization)을 수행할 수 있다. CMP 공정은 연마패드를 통해 기판을 물리적으로 마모시키는 물리적 연마와, 슬러리의 화학적 반응을 이용한 화학적 연마 과정을 포함할 수 있다.
기판 연마 시스템이 사용되는 기판은 반도체 장치(Semiconductor) 제조용 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 기판은 메탈(metal) 또는 절연체 층이 적층되어 형성되는 다층 구조(multilayer)로 형성될 수 있는데, 목표 프로파일(target profile)을 확보하기 위해서는 연마 공정을 통해 표면의 평탄화가 수행되어야 한다.
기판의 연마 과정에서는 슬러리(Slurry)가 공급될 수 있다. 슬러리는 기판 및 연마패드 사이에 공급되어 기판의 표면을 물리적으로 연마하는 동시에, 기판 표면의 재료와 화학적으로 반응하여 화합물을 형성하게 된다. 한편, 기판 연마 과정에서 슬러리는 기판 표면의 연마상태에 밀접한 영향을 끼칠 수 있다.
도 1은 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도와 기판 연마율의 상관관계를 나타내는 그래프이고, 도 2는 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도와 기판 표면의 평탄도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 슬러리의 온도는 기판의 연마율(RR, Remove Rate)과 연관되는 것을 확인할 수 있다. 슬러리의 종류에 따라 연마율 수치는 차이가 있으나, 일정 온도까지는 슬러리의 온도가 증가함에 따라 기판의 연마율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 일정 온도가 넘어서게 되면, 기판의 연마율이 일정한 범위 내로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 기판의 연마과정에서 일정 온도 이상의 슬러리를 공급하게 되면, 기판의 연마율이 향상되는 것으로 이해할 수 있다. 기판의 연마율의 증가는 목표하는 두께까지의 기판 마모 시간을 단축함으로써, 종국적으로는 기판 연마에 소요되는 시간을 저감할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도는 기판 표면의 평탄도와 연관되는 것을 확인할 수 있다. 슬러리의 종류에 따라 온도 범위에 대한 불균일 수치에 차이가 있기는 하나, 특정한 슬러리 온도 범위에서 기판 표면의 불균일도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 일반적으로, 다층 레이어를 연마하는 과정에서는 레이어를 구성하는 물질의 차이로 인해 특정 부분이 움푹하게 패이는 디싱(dishing) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 기판의 연마 과정에서 공급되는 슬러리의 온도를 조절하는 경우, 기판 표면의 디싱 발생을 최소화함으로써, 기판의 표면 불균일도를 크게 감소시켜, 기판의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템의 사시도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템의 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 기판 연마 시스템(1)은 기판(W)을 연마할 수 있다. 기판 연마 시스템(1)은 기판(W)의 연마 과정에서 공급되는 슬러리를 통해 기판(W)의 연마 공정 온도를 조절하여, 기판(W)의 연마율 및 연마 균일도를 향상시킬 수 있다. 기판 연마 시스템(1)은 캐리어 헤드(12), 연마정반(11), 컨디셔너(13) 및 슬러리 공급 장치(10)를 포함할 수 있다.
캐리어 헤드(12)는 기판(W)을 파지할 수 있다. 캐리어 헤드(12)는 기판(W)을 파지한 상태로 후술하는 연마패드(111)에 가압함으로써, 기판(W)를 연마할 수 있다. 캐리어 헤드(12)는 기판(W)을 파지한 상태로 회전할 수 있다. 캐리어 헤드(12)는 도 3에 도시된 것과 같이, 기판(W) 면에 수직한 축을 중심으로 회전할 수 있다. 캐리어 헤드(12)는 기판(W) 면에 평행한 평면상에서 제1방향 및 제1방향에 수직한 제2방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 기판(W)은 캐리어 헤드(12)의 이동에 따라 연마패드(111)의 상부에서 위치가 조절될 수 있다.
연마정반(11)은 캐리어 헤드(12)에 파지된 기판(W)과 접촉하여 기판(W)을 연마할 수 있다. 연마정반(11)은 회전테이블(112) 및 연마패드(111)를 포함할 수 있다.
회전테이블(112)은 지면에 수직한 축을 중심으로 회전할 수 있다. 회전테이블(112)의 상부에는 연마패드(111)가 구비될 수 있다. 연마패드(111)는 표면에는 그루브(groove)가 형성될 수 있다. 연마패드(111)는 기판(W)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 기판(W)이 연마되는 과정에서, 기판(W)은 연마패드(111)의 국부 지점과 접촉될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 기판(W)과 접촉되는 연마패드(111) 부위를 연마부위라고 지칭하도록 한다.
컨디셔너(13)는 연마패드(111)의 표면을 컨디셔닝할 수 있다. 연마가 수행됨에 따라 연마패드(111)의 표면이 마모될 수 있는데, 예를 들어, 연마패드(111) 표면에 형성된 그루브가 평평해질 수 있다. 그루브의 마모는 기판(W)의 연마 효율을 감소시키기 때문에, 컨디셔너(13)는 연마패드(111)의 표면을 깎아내는 재생화 작업을 통해 연마패드(111)의 표면이 충분한 거칠기를 가지도록 복구시킬 수 있다. 컨디셔너(13)는 연마패드(111)에 접촉되는 컨디셔닝 패드와, 컨디셔닝 패드를 연마패드(111)에 대해 회전시키는 컨디셔닝 헤드를 포함할 수 있다.
슬러리 공급 장치(10)는 연마패드(111)로 슬러리를 분사할 수 있다. 슬러리 공급 장치(10)는 기판(W)의 연마 과정에서 연마패드(111)로 분사되는 슬러리의 온도 제어를 통해 연마패드(111)의 온도를 조절할 수 있다. 다시 말해, 슬러리 공급 장치(10)는 슬러리를 통해 기판(W)의 연마 공정 온도를 조절할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 슬러리 공급 장치(10)의 투시 사시도이고,, 도 6은 일 실시 예에 따른 히팅 모듈(102)의 사시도이며, 도 7은 일 실시 예에 따른 히팅 모듈(102)의 평면도이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 냉각 모듈(103)의 사시도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 슬러리 공급 장치(10)는 회전부(104), 공급 암(101), 히팅 모듈(102) 및 냉각 모듈(103)을 포함할 수 있다.
회전부(104)는 연마패드(111) 외측에 배치될 수 있다. 회전부(104)는 연마패드(111) 면에 수직한 길이 방향을 가질 수 있다. 공급 암(101)은 연마패드(111)의 상부에 배치되어, 연마패드(111)로 슬러리를 공급할 수 있다. 공급 암(101)은 일측이 회전부(104)에 연결되고, 회전부(104)에 회전 가능하게 연결됨으로써 연마패드(111)의 상부에서 스윙 동작할 수 있다. 공급 암(101)은 내부 수용공간을 포함할 수 있다. 수용공간 내부에는 후술하는 히팅 모듈(102) 및 냉각 모듈(103)이 배치될 수 있다.
공급 암(101)은 수용공간의 바닥면을 구성하는 지지 플레이트와, 수용공간 내에 배치되고 지지 플레이트로부터 일정 간격 이격되는 고정 플레이트를 포함할 수 있다. 이 경우, 고정 플레이트의 하측에는 냉각 모듈이 배치되고, 고정 플레이트의 상면에는 복수의 히팅 모듈이 각각 배치될 수 있다.
한편, 후술하는 바와 같이 복수의 히팅 모듈 및 냉각 모듈은 독립적으로 슬러리의 온도를 조절하여 배출하는데, 각 히팅 모듈 및 냉각 모듈에는 배출된 슬러리의 유동을 위한 배출관이 연결될 수 있다. 이 경우, 지지 플레이트에는 배출관이 공급 암(101) 외부로 빠져나갈 수 있도록 개방 형성되는 개방구가 형성되고, 개방구의 하측에는 외부로 돌출된 배출관의 단부가 끼움 고정되는 배출관 고정부가 형성될 수 있다. 배출관 고정부에는 배출관이 끼워지는 삽입홀이 형성될 수 있다.
히팅 모듈(102)은 공급 암(101) 내부에 배치될 수 있다. 히팅 모듈(102)은 내부로 공급되는 슬러리를 가열하고, 가열된 슬러리를 공급 암(101)을 통해 연마패드(111)로 분사할 수 있다. 공급 암(101) 내부에는 복수의 히팅 모듈(102)이 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 히팅 모듈(102)을 통해 연마패드(111)로 슬러리 또는 순수가 가열되어 공급될 수 있다. 예를 들어, 복수의 히팅 모듈(102) 중 적어도 하나는 슬러리를 가열하여 배출하는 슬러리 히팅 모듈과, 순수(Deionized Water)를 가열하여 연마패드(111)로 공급하는 예비 히팅 모듈로 구분될 수 있다. 복수의 히팅 모듈(102)은 동일한 구조로 형성되는데, 각각의 히팅 모듈(102)은 개별적으로 유체를 공급받아 가열하고, 가열된 유체를 각각 공급 암(101)의 외부로 배출할 수 있다. 각각의 히팅 모듈(102)을 통과한 유체의 온도는 개별적으로 설정될 수 있다.
히팅 모듈(102)은 하우징(1021), 히터(1026), 히터 센서, 온도 센서(1024) 및 온도 제어부를 포함할 수 있다.
하우징(1021)은 내부에 유로가 형성될 수 있다. 하우징(1021)의 외면에는 내부에 형성된 유로와 연통되는 유입구(1022) 및 배출구(1023)가 각각 형성될 수 있다. 유입구(1022)를 통해 하우징(1021) 내부로 공급된 유체는 하우징(1021) 내부의 유로를 유동한 후 배출구(1023)를 통해 하우징(1021) 외부로 배출될 수 있다. 유입구(1022) 및 배출구(1023)에는 각각 공급관 및 배출관이 연결되는데, 공급관을 통해 히팅 모듈(102) 내부로 가열 대상 유체가 공급되고, 배출관을 통해 히팅 모듈(102)을 통과한 유체가 배출될 수 있다.
히터(1026)는 유로를 유동하는 유체를 가열할 수 있다. 히터는 하우징(1021) 내부에 설치되어 유로에 직접 열을 가하는 발열 소자를 포함할 수 있다. 반면, 히터(1026)는 도 7과 같이 하우징(1021)의 유로와 연통되는 히팅 유로를 포함할 수 있는데, 이 경우 하우징(1021)의 유로를 통과하는 유체는 히팅 유로를 통과하면서 가열될 수 있다. 예를 들어, 하우징 내부에 형성된 유로는 일측은 상기 유입구와 연결되고 타측은 히팅 유로의 입구와 연결되는 제1히팅유로와, 일측은 상기 히팅 유로의 출구와 연결되고 타측은 상기 배출구와 연결되는 제2히팅유로를 포함할 수 있다.
히터 센서는 히터(1026)의 온도를 검출할 수 있다. 히터 센서는 히터가 과열되어 히팅 모듈(102)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
온도 센서(1024)는 배출구 주변에 설치되고, 배출구(1023)를 통해 배출되는 유체의 온도를 검출할 수 있다. 배출구(1023)를 통해 하우징(1021) 외부로 배출되는 유체는 연마패드(111)에 직접 분사되기 때문에, 온도 센서를 통해 연마패드(111)로 분사되는 유체의 온도를 실시간으로 검출할 수 있다. 한편, 배출구와 인접한 유로 부위에는, 상기 하우징의 외부와 연통되는 온도 측정구가 형성될 수 있는데, 이 경우, 온도 센서는 온도 측정구가 형성된 하우징 외면에 설치되는 바이메탈(bi-metal) 온도 센서일 수 있다.
온도 제어부는 온도 센서가 검출한 유체의 온도에 기초하여, 히터의 작동을 제어할 수 있다. 따라서, 배출구를 통해 연마패드(111)로 배출되는 유체의 온도가 조절될 수 있다.
냉각 모듈(103)은 공급 암(101)의 수용공간 내부에 배치될 수 있다. 냉각 모듈(103)은 슬러리를 공급받아 냉각하고, 냉각된 슬러리를 공급 암(101)을 통해 연마패드(111)로 분사할 수 있다.
냉각 모듈(103)은 히팅 모듈(102)과 독립적으로 슬러리를 공급받아 공급 암(101) 외부로 배출할 수 있다. 냉각 모듈(103)은 냉각 하우징(1031), 제1유로(미도시), 제2유로(미도시) 및 열교환부(미도시)를 포함할 수 있다.
냉각 하우징(1031)은 냉각 모듈(103)의 외관을 형성할 수 있다. 하우징(1021)에는 서로 분리되는 제1유로 및 제2유로가 형성될 수 있다. 제1유로 및 제2유로를 통해 슬러리 및 냉각수가 각각 유동할 수 있다. 하우징(1021) 외부에는 제1유로와 연결되는 제1유입구(1032) 및 제1배출구(1033)가 형성되고, 제2유로와 연결되는 제2유입구(1034) 및 제2배출구(1035)가 각각 형성될 수 있다.
슬러리는 제1유입구(1032)를 통해 냉각 하우징 내부로 공급되어 제1유로를 유동한 후 제1배출구(1033)를 통해 하우징(1021) 외부로 배출될 수 있다. 제1배출구(1033)에는 연마패드(111)로 냉각된 슬러리를 유동시키기 위한 배출관이 연결될 수 있다. 마찬가지로, 냉각수는 제2유입구(1034)를 통해 냉각 하우징 내부로 공급되어 제2유로를 유동한 후 제2배출구(1035)를 통해 하우징(1021) 외부로 배출될 수 있다.
하우징(1021) 내부에는 열교환부가 설치될 수 있다. 열교환부는 예를 들어, 펠티어 소자를 포함할 수 있다. 열교환부는 제1유로를 유동하는 슬러리와 제2유로를 유동하는 냉각수 사이에서 열교환을 수행할 수 있다. 열교환부는 제1유로를 유동하는 슬러리로부터 제2유로를 유동하는 냉각수 방향으로 열을 이동시킬 수 있다. 따라서, 제1유로를 통과한 슬러리는 온도가 감소된 상태로 연마패드(111)로 배출될 수 있다.
한편, 각각의 히팅 모듈(102) 및 냉각 모듈(103)에는 슬러리를 배출하기 위한 배출관이 각각 연결될 수 있는데, 공급 암(101)에는 복수의 배출관의 단부를 연마패드(111) 방향으로 고정하는 배출관 고정부가 형성될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 슬러리 공급 장치(10)는 히팅 모듈(102) 및 냉각 모듈(103)의 작동을 통해 서로 다른 온도의 슬러리를 연마패드(111)로 공급함으로써, 연마패드(111)의 온도를 선택적으로 조절할 수 있다. 따라서, 슬러리 공급 장치(10)는 연마패드(111)의 온도 조절을 통해, 기판(W)의 연마 과정에서 기판(W)에 작용하는 공정 온도를 최적으로 조절할 수 있다.
특히, 슬러리 공급 장치(10)는 기판(W)의 연마가 수행되기 이전에, 히팅 모듈(102)을 통해 가열된 순수를 연마패드(111)로 분사함으로써, 기판(W)의 연마가 시작되는 시점에서 연마패드(111)의 온도를 최적 범위로 조절하여, 기판(W)의 연마율 및 연마 균일도를 향상시킬 수 있다. 특히, 슬러리 공급 장치(10)를 통해 온도가 조절된 슬러리는 연마패드(111)로 직접 공급되기 때문에, 슬러리의 유동 과정에서 슬러리의 온도가 변화하는 것을 최소화할 수 있다.
이하에서는, 일 실시 예에 따른 기판 연마 방법에 대해 설명하도록 한다. 기판 연마 방법을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 생략하도록 한다.
기판 연마 방법은 연마패드에 기판을 가압하여 기판을 연마할 수 있다. 기판 연마 방법은 연마패드에 공급되는 슬러리의 온도를 통해 기판의 연마 공정 온도를 효과적으로 조절할 수 있다.
기판 연마 방법은 프리 히팅 단계, 히팅 단계 및 냉각 단계를 포함할 수 있다.
프리 히팅 단계에서는, 가열된 순수를 연마패드로 공급하여 연마패드의 온도를 상승시킬 수 있다. 프리 히팅 단계는, 기판이 연마되기 이전에 수행됨으로써, 연마패드를 예열할 수 있다. 따라서, 이후 기판 연마 과정에서 연마패드의 온도가 최적범위로 도달하는 시간을 단축시킬 수 있다.
히팅 단계에서는, 가열된 슬러리를 연마패드로 공급하여 연마패드의 온도를 설정된 온도 범위에 위치시킬 수 있다. 히팅 단계는 기판의 연마 과정에서 수행될 수 있다. 히팅 단계에서 공급되는 슬러리를 통해 기판 연마에 요구되는 최적 공정 온도를 달성할 수 있다. 히팅 단계는 기판의 연마 공정 간의 연마율을 상승시킴으로써, 타겟 프로파일까지의 도달하는 기판 연마 시간을 단축시키고, 종국적으로는 기판 연마 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
냉각 단계는, 히팅 단계 이후에 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급함으로써, 연마패드의 온도를 설정된 범위 온도로 감소시킬 수 있다. 기판 연마 공정의 후반 단계에서는, 다중 레이어의 물질 차이로 인해 기판 표면에 디싱 현상이 발생할 수 있는데, 연마 공정의 온도를 감소시키는 경우 디싱 현상의 발생을 최소화함으로써, 기판 표면의 연마 균일도를 높이고, 결과적으로 기판의 수율을 향상시킬 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 기판 연마 방법의 순서도이다. 도 10은 일 실시 예에 따른 냉각 단계의 순서도이다.
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여, 일 실시 예에 따른 기판 연마 방법(9)에 대해 설명하도록 한다. 기판 연마 방법(9)을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 생략하도록 한다. 기판 연마 방법(9)은 상술한 기판 연마 시스템에 의해 수행될 수 있다.
이하에서 설명하는 기판의 연마 과정은, 기판을 연마패드에 마찰시키는 직접적인 연마 과정뿐만 아니라, 연마를 준비하는 과정과 연마를 마무리하는 과정까지 포함되는 넓은 개념일 수 있다. 예를 들어, 연마 과정은 연마 과정 초기, 연마 과정 중기 및 연마 과정 말기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 초기는 기판을 연마패드에 직접 마찰시켜 연마를 진행하기 이전에, 연마를 준비하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 중기는 기판을 연마패드에 직접 마찰시키는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 중기는 메인 폴리싱 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 말기는 연마를 마무리하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 말기는 메인 폴리싱 과정 이후 기판을 더 연마하는 오버 폴리싱 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 말기는 연마 속도를 감소시키거나 연마 압력을 감소시키는 과정을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 방법(9)은 프리 히팅 단계(91), 온도 제어 단계(92) 및 냉각 단계(93)를 포함할 수 있다.
프리 히팅 단계(91)는 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 연마패드의 온도를 상승시키는 단계일 수 있다. 프리 히팅 단계(91)는 연마 과정 초기에 수행될 수 있다. 예를 들어, 프리 히팅 단계(91)는 기판을 연마하기 이전에 수행될 수 있다. 연마 과정 초기에서 연마패드의 온도는 제1 온도로 조절될 수 있다. 예를 들어, 프리 히팅 단계(91)에서 공급되는 순수의 온도는 20℃ 내지 80℃일 수 있다. 프리 히팅 단계(91)는 제1 히팅 모듈에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 제1 히팅 모듈은 기판을 연마하기 이전에 연마패드의 온도를 상승시키기 위하여 연마패드로 가열된 순수를 공급할 수 있다. 이와 같은 프리 히팅 단계(91)를 통하여, 연마패드를 예열할 수 있다. 따라서, 이후 기판 연마 과정에서 연마패드의 온도가 최적범위로 도달하는 시간을 단축시킬 수 있다.
온도 제어 단계(92)는 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 연마패드의 온도를 제어하는 단계일 수 있다. 온도 제어 단계(92)는 기판의 연마 과정에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 단계(92)는 연마 과정 중기에 수행될 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 단계(92)는 기판의 메인 폴리싱 과정에서 수행될 수 있다. 연마 과정 중기에서 연마패드의 온도는 제2 온도로 조절될 수 있다. 제2 온도는 제1 온도와 상이할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 단계(92)에서 공급되는 슬러리의 온도는 0℃ 내지 80℃일 수 있다. 온도 제어 단계(92)에서는 연마패드의 온도를 증가시키기 위하여 현재 연마패드의 온도보다 높은 온도를 갖는 슬러리를 공급하거나, 연마패드의 온도를 감소시키기 위하여 현재 연마패드의 온도보다 낮은 온도를 갖는 슬러리를 공급할 수 있다. 온도 제어 단계(92)는 제2 히팅 모듈 및 냉각 모듈에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 제2 히팅 모듈은 기판의 연마 과정에서 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 연마패드로 가열된 슬러리를 공급할 수 있고, 냉각 모듈은 기판의 연마 과정에서 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급할 수 있다. 제2 히팅 모듈 및 냉각 모듈은 목표 온도를 달성하기 위하여, 상호 연동되어 제어될 수 있다. 이와 같은 온도 제어에 의하면, 기판의 연마 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 디싱 현상의 발생을 최소화할 수 있다.
냉각 단계(93)는 연마패드의 온도를 감소시키는 단계일 수 있다. 냉각 단계(93)는 연마 과정의 말기에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 냉각 단계(93)는 기판의 오버 폴리싱 과정에서 수행될 수 있다. 연마 과정 말기에서 연마패드의 온도는 제3 온도로 조절될 수 있다. 제3 온도는 제1 온도 또는 제2 온도와 상이할 수 있다. 예를 들어, 제3 온도는 제2 온도보다 낮을 수 있다.
냉각 단계(93)는 냉각 슬러리 공급 단계(931), 고유량 순수 공급 단계(932) 및 가압력 감소 단계(933) 중 적어도 어느 하나의 단계를 포함할 수 있다.
냉각 슬러리 공급 단계(931)는 연마패드로 -10℃ 내지 10℃의 온도를 갖는 냉각된 슬러리를 공급하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 냉각된 슬러리는 약 0℃의 온도를 가질 수 있다. 냉각 슬러리 공급 단계(931)는 냉각 모듈에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 냉각 모듈은 기판의 연마 과정 말기에서 연마패드의 온도를 감소시키기 위하여 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급할 수 있다. 냉각 슬러리 공급 단계(931)를 통해 냉각된 슬러리를 연마패드로 공급함으로써, 연마패드의 온도를 감소시킬 수 있다.
고유량 순수 공급 단계(932)는 연마패드로 고유량으로 순수를 공급하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 순수는 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 순수는 약 11lpm의 유량으로 공급될 수 있다. 고유량 순수 공급 단계(932)는 1초 내지 2초간 수행될 수 있다. 예를 들어, 고유량 순수 공급 단계(932)는 오버 폴리싱 과정의 초기에 1초 내지 2초간 수행될 수 있다. 고유량 순수 공급 단계(932)는 순수 공급 모듈에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 순수 공급 모듈은 연마 과정 말기에서 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급할 수 있다. 한편, 순수 공급 모듈은 별도의 구성이 아닌 제1 히팅 모듈과 동일한 구성일 수 있다. 이와 같이, 연마패드로 고유량의 순수를 공급하는 경우, 연마패드의 온도가 급격히 감소될 수 있다.
가압력 감소 단계(933)는 연마패드에 대하여 기판을 가압하는 압력을 감소시키는 단계일 수 있다. 예를 들어, 캐리어 헤드에 구비된 멤브레인의 각 챔버 압력을 감소시킴으로써, 가압력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 가압력 감소 단계(933)는 연마 과정(예를 들어, 메인 폴리싱 과정)에서 연마패드에 대하여 기판을 가압하는 압력의 2/3에 해당하는 압력으로 압력을 감소시키는 단계일 수 있다. 이와 같이, 기판에 가해지는 압력을 감소시키는 경우, 연마패드의 온도가 감소될 수 있다.
냉각 슬러리 공급 단계(931), 고유량 순수 공급 단계(932) 및 가압력 감소 단계(933)는 동시 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 연마 과정 말기의 초기에 고유량 순수 공급 단계(932)가 수행되고, 이후에 냉각 슬러리 공급 단계(931) 및 가압력 감소 단계(933)가 수행될 수도 있다. 냉각 단계(93)를 통해 연마 과정 말기에서 연마패드의 온도를 감소시킴으로써, 연마 균일도 및 평탄도를 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
1: 기판 연마 시스템
10: 슬러리 공급 장치
W: 기판

Claims (24)

  1. 연마패드를 통해 기판을 연마하는 기판 연마 방법에 있어서,
    상기 기판을 연마하기 이전에, 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 상기 연마패드의 온도를 상승시키는 프리 히팅 단계; 및
    상기 기판의 연마 과정에서, 상기 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 상기 연마패드의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리 히팅 단계에서 공급되는 순수의 온도는 20℃ 내지 80℃인, 기판 연마 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계에서 공급되는 슬러리의 온도는 0℃ 내지 80℃인, 기판 연마 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 감소시키는 냉각 단계를 더 포함하는, 기판 연마 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 단계는, 상기 연마패드로 -10℃ 내지 10℃의 온도를 갖는 냉각된 슬러리를 공급하는 냉각 슬러리 공급 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 단계는, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 고유량 순수 공급 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고유량 순수 공급 단계는 1초 내지 2초간 수행되는, 기판 연마 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 단계는, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력을 감소시키는 가압력 감소 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가압력 감소 단계는, 상기 연마 과정에서 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력의 2/3에 해당하는 압력으로 압력을 감소시키는 단계인, 기판 연마 방법.
  10. 기판을 연마하는 연마패드의 상부에 배치되고, 내부 수용공간을 형성하는 공급 암;
    상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판을 연마하기 이전에 상기 연마패드의 온도를 상승시키기 위하여 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하는 제1 히팅 모듈;
    상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판의 연마 과정에서 상기 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 상기 연마패드로 가열된 슬러리를 공급하는 제2 히팅 모듈; 및
    상기 수용공간 내부에 배치되고, 상기 기판의 연마 과정에서 상기 연마패드의 온도를 제어하기 위하여 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급하는 냉각 모듈을 포함하는, 기판 연마 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판을 연마하기 이전에, 상기 제1 히팅 모듈에서 공급되는 순수의 온도는 20℃ 내지 80℃인, 기판 연마 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 연마 과정에서, 상기 제2 히팅 모듈에서 공급되는 슬러리의 온도는 0℃ 내지 80℃인, 기판 연마 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 냉각 모듈은 상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 감소시키기 위하여 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급하는, 기판 연마 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연마 과정의 말기에서, 상기 냉각 모듈에서 공급되는 슬러리의 온도는 -10℃ 내지 10℃인, 기판 연마 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 순수 공급 모듈을 더 포함하는, 기판 연마 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 순수 공급 모듈은 1초 내지 2초간 순수를 공급하도록 구성되는, 기판 연마 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 연마 과정의 말기에서, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력은 감소되는, 기판 연마 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연마 과정의 말기에서 상기 기판을 가압하는 압력은 상기 연마 과정에서 상기 기판을 가압하는 압력의 2/3인, 기판 연마 시스템.
  19. 연마패드를 통해 기판을 연마하는 기판 연마 방법에 있어서,
    상기 기판의 연마 과정 초기에서, 상기 연마패드의 온도를 제1 온도로 조절하는 단계;
    상기 기판의 연마 과정 중기에서, 상기 연마패드의 온도를 제2 온도로 조절하는 단계; 및
    상기 기판의 연마 과정 말기에서, 상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연마패드의 온도를 제1 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 가열된 순수를 공급하여 상기 연마패드의 온도를 상기 제1 온도로 상승시키는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 연마패드의 온도를 제2 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 공급되는 슬러리의 온도를 조절하여 상기 연마패드의 온도를 상기 제2 온도로 제어하는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 냉각된 슬러리를 공급하는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드로 9lpm 내지 13lpm의 유량으로 순수를 공급하는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 연마패드의 온도를 제3 온도로 조절하는 단계는, 상기 연마패드에 대하여 상기 기판을 가압하는 압력을 감소시키는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.
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