KR980011959A - 연마대를 갖춘 화학 기계적 연마(cmp) 장치 및 그 장치내의 슬러리 재순환 방법 - Google Patents

연마대를 갖춘 화학 기계적 연마(cmp) 장치 및 그 장치내의 슬러리 재순환 방법 Download PDF

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존 에이 아담스
제럴드 에이 크루릭
씨. 랜달 하우드
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존 에스. 하지슨
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Abstract

재순환된 슬러리는 일정 연마 속도를 제공하기 위해 사용되는 슬러리와 연속적으로 혼합되나, 연마대를 가로질러 연속적으로 흐른 슬러리의 일부는 소모되거나 폐기된다. 슬러리는 포획링 내에서 회수되며, 그 회수된 슬러리는 새로운 슬러리, 재생 화학 약품 또는 물과 혼합하기 위해 재순환 루프로 공급되며, 상기 혼합물은 테스트되고, 여과되며, 그 혼합물은 연마대로 반환된다. 상기 연마대에 반환된 혼합물의 양은 재생된 혼합물의 양을 약간 초과하여, 포획링의 범람을 초래한다. 헹굼수는 연마 주기 동안에 연마대를 습윤하게 유지시키기 위해 동일할 형식으로 재순환된다.

Description

연마대를 갖춘 화학 기계적 연마(CMP)장치 및 그 장치내의 슬러리 재순환 방법
본 발명은 화학 기계적 연마(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 시스템에 관한 것으로, 특히 슬러리를 재순환하고 재생하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
CMP 장치는 주로 반도체 웨이퍼의 전방면 또는 측면의 연마 또는 ″평면화″를 위해 사용된다. 연마 단계는 집적 회로 제조 공정시에 한 번 이상 시행되며 몇가지의 잇점을 제공한다. 예를 들어, 스텝 커버리지(step coverage)는 스텝의 크기가 감소되므로 개선된다. 포토레지스트 층위로 상을 투영시키기 위한 석판술(Lithography)은 보다 편평한 표면에 의해 개선된다. 포토레지스트 층이 편평하지 않다면, 상의 일부가 초점이 (Lithography)은 보다 편평한 표면에 의해 개선된다. 포토레지스트 층이 편평하지 않다면, 상의 일부가 초점이 맞지 않을 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 정밀한 연마는 포토레지스트의 패턴화를 개선시키고 최종 장치의 질을 개선시킨다.
일반적인 CMP 장치에 있어서, 반도체 웨이퍼는 연마재와 화학 반응 용액인 슬러리가 회전 패드에 공급되는 동안에, 회전 연마대에 대해 회전된다. 연마대는 통상적으로 연마 대의 외부층과 같은 적은 탄성층을 갖는 금속 평판이 도포되는 두 개의 층으로 구성된다. 또한, 상기 층은 일반적으로 폴리우레탄으로 제조되고 층의 칫수 안전성을 조절하기 위한 충전재를 포함한다. 연마대와 연마 헤드에 사용되는 평판은 시각적으로 편평하고 평행의 표면을 갖도록 주의깊게 기계가공된다.
연마대는 연마되어질 웨이퍼 직경의 2배 내지 3배이며, 상기 웨이퍼는 웨이퍼 내부로 비평면 표면의 분쇄를 방지하기 위해 연마대 위의 중심에서 떨어져 있다. 웨이퍼의 회전 축과 연마대의 회전축은 평행하나, 후면과 평행하게 웨이퍼의 전방면을 유지하기 위해서는 동일선상에 있지는 않다. 다른 CMP 장치는 진동 패드 및 연속 벨트 패드를 사용한다. 본 발명은 회전 패드와 설명하나, 임의의 형태의 패드에도 적용될 수 있다.
웨이퍼상에 하향 압력, 운반체의 회전 속도, 패드의 속도, 슬러리의 유량, 및 슬러리의 PH와 같은 연마 변수는 균일한 제거 속도, 웨이퍼의 표면을 가로지르는 균일한 연마, 및 웨이퍼와 웨이퍼의 정렬을 제공하기 위해 주의깊게 제어되어야 한다.
CMP 용으로 사용되는 슬러리는 그 사용 용도에 따라 실리콘 연마 슬러리, 산화물 연마 슬러리, 및 금속 연마 슬러리의 3개의 범주로 나눌수 있다.
실리콘 연마 슬러리는 노출된 실리콘 웨이퍼를 연마하고 평면화하기 위해 설계된다. 실리콘 연마는 수용액내에 부유되는 직경이 20 내지 200nm인 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화 세륨(Ce2O3)분자와 같은 소형의 연마재로 구성된다. 공용의 실리콘 연마 슬러리는 콜로이드 부유 상태의 실리카 분자를 사용한다. 슬러리 내의 분자의 비율은 중량당 1 내지 15% 이다. 슬러리의 PH는 일반적으로 8.0 내지 11.5 이며 NaOH, KOH 또는 NH4OH와 같은 알칼리의 첨가로 인해 제어된다.
산화물 연마용 슬러리는 웨이퍼상의 절연층, 일반적으로 실리콘 이산화물 층을 연마하고 평면화하기 위한 것이다. 절연층은 산화 또는 화학 증착과 같은 공지된 기술로 형성된다. 산화물 연마 슬러리는 수용액 내에 부유되는 직경이 50 내지 1000nm인 실리카, 알루미나, 산화 세륨 분자와 같은 소형의 연마재로 구성된다. 산화물 연마 슬러리 내의 분자의 비율은 중량당 1 내지 15% 이다. 슬러리의 PH는 8이상이며, 일반적으로 10.0 내지 11.5이다. 슬러리의 PH는 알칼리의 첨가로 인해 제어된다. 코트 및 리치에서 허여된 미국 특허 제 4,910,155호에는 산화물 연마 과정 및 재료를 기술하고 있다.
금속 연마용 슬러리는 반도체 웨이퍼상에 도전층을 연마하고 평면화하기 위해 설계된다. 도전층은 절연층 상에 증착되며 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 구리, 도핑된 다중 실리콘, 또는 금속 규화물층과 같은 일부 도전성 재료중의 하나 일 수 있다. 절연층은 미리 증착된 층에 절연층을 관통하는 통로를 제공하기 위해 도전성 재료로 충전된 개구(″바이어스″)를 갖는다. 도전층이 연마된 이후에는 바이어스 내의 도전성 재료만이 절연층내에 유지된다.
금속 연마 슬러리는 통상적으로, 수용액 내에 부유되는 직경이 50 내지 1000nm인 실리카, 알루미나, 산화 세륨 분자와 같은 소형의 연마재로 구성된다. 슬러리 내의 분자의 비율은 중량당 1 내지 15% 이며, PH는 5이하이다. 금속 연마 슬러리의 PH는 칼륨 아세티이트, 초산, 또는 구연산과 같은 유기산의 첨가로 인해 선택적으로 제어된다. 유기산 이외에도, 슬러리는 도전성 재료를 제거하기 위한 하나 이상의 산화제를 포함한다. 일반적인 산화제는 과산화수소, 제2철 칼륨, 질산염 철, 또는 그 화합물을 포함한다. 카디언에게 허여된 미국 특허 제 5,340,370호에는 금속 연마 가공 및 금속 연마로 개선되는 일부 슬러리를 기술하고 있다.
CMP용 슬러리는 일리노이주 투스콜라 캐브-오-실 디비젼 소재의 캐보트사와 텔라웨어주 뉴워크 소재의 로델 인코포레이티드와 같은 회사로부터 상업적으로 시판되고 있다.
웨이퍼가 연마됨에 따라, 상기 슬러이와 연마되는 재료에는 패드 표면을 매끈하게 하고 연마 속도를 감소시키기 위해 연마대의 표면에 글레이즈를 바르는 경향이 있다. 연마에의해 패드 재료, 웨이퍼 자체, 또는 그 이외로부터 산재 입자를 발생할 수 있다. 상기 부산물이 연마에 악영향을 주기에 충분한 농도일 때, 상기 부산물은 제거되어야 한다.
슬러리는 조성 및 PH가 변화하는 연마 가공시에 화학적으로 변화한다. PH는 바람직하지 않은 방향으로 변화하며, 그 결과 웨이퍼는 슬러리 수명의 말기에 초기보다 더 천천히 연마된다. 슬러리가 산화제를 포함하고 있으며, 산화제는 연마 가공 공정 내에서 부분적으로 소모된다.
연마대에서는 낡은 입자 및 연마된 입자가 제거되고 연마대의 표면에 새로운 슬러리가 제공급되도록 조절된다. 패드에서 글레이즈가 제거되고 상기 패드의 표면 거칠기가 미세하게 되도록 제어된다. 날카로운 물체로 패드를 긁거나 연마재로 패드를 거칠게 하는 것에 의해 패드 표면을 재생시킨다.
많은 반도체 제조자들에 의해 사용되어진 많은 CMP 시스템에서, 슬러리는 연마대 상에서 연속적으로 흐른다. 패드가 회전함에 따라, 슬러리는 엣지로부터 튕겨나가서 배수에 의해 제거된다. 신선한 슬러리의 연속적인 흐름이 바람직하지만, 충분한 슬러리를 공급해야 한다.
샹들러에게 허여된 미국 특허 제5,299,393호에는 회전 연마대를 순환하는 제거가능한 억제 장치 또는 댐(dam)을 기술하고 있다. 상기 댐은 연마대상에 슬러리를 저장하고 웨이퍼를 연마하기 위해 슬러리를 덜 사용하게 한다. 슬러리가 배치(batch)내에서 사용되었기 때문에, 연마 속도는 배치가 교체될 때 까지 연마시에 연속적으로 감소하며, 이때 연마 속도는 갑자기 증가한다. 이러한 변화는 공정을 정확하게 특성화하는 것을 어렵게 한다.
댐은 CMP 시스템이 얼마나 빨리 웨이퍼르 연마할 수 있는 지를 제한한다. 패드의 높은 회전 속도에서, 슬러리는 패드의 외부 옛지에서 작동하여, 패드상에 슬러리의 불균등 분배를 발생하고 불균등 연마를 초래한다. 원심력 효과를 감소시키기 위해서, 패드는 댐이 없는 것보다 더 낮은 속도에서 회전되어야 한다. 그러나 느린 회전은 연마 속도를 감소시키므로 바람직하지 못하다.
슬러리 이외에도, 대량의 헹굼 수가 슬러리 입자와 웨이퍼로부터의 화학 약품과 다양한 패드 및 장치 부품을 웨이퍼로부터 제거하는데 사용된다. 헹굼수는 연마중에 패드를 젖은 상태로 유지하는데 사용된다. 슬러리는 소비를 최소화하기 위해 실제 연마시에만 공급된다. 헹굼수는 웨이퍼가 연마기로부터 제거되기 전에, 슬러리 입자와 부착된 화학 약품을 웨이퍼로부터 없애기 위해 버프 패드(buff pad)로 공지된 보조 연마대상에 또한 사용된다.
카베기아 등에게 허영된 미국 특허 제 3,549,439호에는 화학 래핑 장치를 기술하고 있는데, 상기 장치내의 펌프는 플레이트 상층에 래핑 반응액을 보유하기 위해 릿지에 의해 둘러싸인 래핑 플레이트로부터 래핑 화합물을 제거하는데 사용되어, 분리된 저장고에 필터를 통해 래핑 화합물을 펌핑한다. 래핑 화합물은 공작물과 화학적으로 반으하기 위해 가열될 때 해리된다. 저장고 내에서, 화학 제품은 래핑 화합물의 소정의 농도를 유지하기 위해 용액에 첨가된다. 이 때 또 다른 펌프는 플레이트와 인접한 조절된 용액을 펌핑한다. 상기 특허는 릿지 또는 억제 장치가 액체를 막기 위해 사용되는 샹들러 특허와 유사하며, 연마대상에 화합물을 보유하게 하거나 슬러리의 설정 수치를 유지시킨다.
리에게 허여된 미국 특허 제 4,459,781호에는 입자 혼합물을 함유하는 연마재 슬러리를 회전 연마휠에 적용하고 원심력을 이용하여 입자를 크기에 따라 분리하는 것이 기술되어 있다. 공작물은 소형의 입자가 있는 상기 휠의 중심을 향해 휠의 외부 엣지로부터 이동함으로써 연마된다. 이는 비교적 큰 입자를 함유하는 슬러리에서만 효과적이다.
머피 등에게 허여된 미국 특허 제 5,478,436호에는 CMP 장치용 사용점(point-of-use)슬러리 분해 시스템을 기술하고 있으며, 상기 시스템에서는 농축된 슬러리, 희석제, 일부 경우에 제3 화학 약품이 희석, 온도, 화학품 침출을 제어하기 위해, 연마대에서 각각 분리되어 전달되며, 사용되기 전에 패드상에서 또는 분배 라인 내에서 혼합된다. 슬러리가 웨이퍼하에서 또는 회전 패드에 인접한 배관의 소단면 내에서 제거되기 이전에 패드상에서 즉시 혼합된다. 상기 특허는 패드상에서의 혼합에 관한 것이며, 사용된 슬러리, 재순환된 슬러리, 재생되어 사용된 슬러리, 또는 재순환된 헹굼수의 양을 감소시키는 부분에 대해서는 논의되지 않았다.
연마대에 전달된 슬러리의 양은 다른 변수들 중에서 연마되어진 재료에 따라 다르며, 크게 변할 수 있다. 슬러리는 20 내지 500ml, 통상적으로 약 200 ml/min의 흐름 속도로, 연마대 상에서 흐를 수 있다. 많은 사용자들은 슬러리가 매우 비싸므로 흐름을 최소화하도록 한다. 연마대 상으로 슬러리의 흐름 및 웨이퍼 아래로 순환하는 슬러리의 최종적인 유체 동력학은높은 속도 및 규일한 연마에 중요하다. 일반적으로, 연마는 연마 주기당 2 내지 3분정도 발생하며, 200 mi/min의 흐름 속도에 기초하여 400 내지 600 ml의 슬러리를 소모한다. 슬러리의 소모는 500ml/min의 흐름 속도에 기초하여 주기당 1500ml로 높다.
일반적인 CMP 시스템에서, 슬러리와 헹굼수는 분리되지 않으며, 폐수관 아래로 향한다. 사용된 헹굼수의 양은 사용된 슬러리 체적의 30배 이상이며, 소모된 슬러리의 120배 이상이다. 3개의 분리 CMP주기를 갖는 1달에 10,000 웨이퍼를 생산하는 반도체 제조 플랜트에 있어서, 1달에 12,000 내지 18,000 리터의 슬러리가 소모되어 폐수관으로 보내지며 180,000 리터 또는 그 이상의 물과 혼합된다. 상기 웨이퍼 제조에 있어서 다량의 화학 약품 소모는 환경에 악영향을 끼침으로써 제조 비용을 상당히 추가시킨다.
CMP 슬러리가 값비싸다고 하더라도, ＄10,000 내지 ＄50,000의 값인 웨이퍼의 손상 위험은 재생된 슬러리의 사용으로 얻어진 비용 절감보다도 비중이 크므로 방지되어야 한다. 실제적인 문제로서, 재순환된 슬러리로 부터 발생하는 손상 위험은 새로운 슬러리로부터 발생하는 손상 위험보다 적다, 반도체 산업은 효과적인 슬러리 재처리 및 재사용 시스템을 통해 CMP 슬러리의 비용을 감소시키는 새롭고 확실한 해결책을 필요로 한다. 부가적으로, 반도체 산업은 CMP 장치 내의 헹굼수의 비용을 감소시키는 새롭고 확실한 해결책을 필요로 한다.
전술한 관점으로 보아, 본 발명의 목적은 CMP 장치내의 슬러리 소모를 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 CMP 장치 내에서 연속적으로 재순환 슬러리용 온라인 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 재순환된 슬러리로부터 발생하는 손상 위험이 새로운 슬러리로부터 발생하는 손상 위험보다 적은 CMP 장치용 재생 슬러리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연마 장치내의 슬러리를 재생시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 슬러리를 순환시키고, 슬러리를 재생시키기 위해 화학 약품을 첨가함으로써 개선된 CMP공정을 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 목적은 CMP 장치의 작동 비용을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 재료의 소모를 감소시키는 것이 아니라 공정, 재료, 또는 장치내의 변화없이 CMP 장치내의 슬러리를 재순환시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 슬러리의 재순환중 슬러리가 연마대를 연속적으로 가로질러 흐를 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 슬러리의 물리적 화학적 특성에 있어서 갑작스런 변화를 발생시키지 않게 슬러리를 재순환시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 CMP 장치에서 헹굼수의 소모를 감소시키는 것이다.
제1도는 종래 기술에 따라 구성된 연마 헤드를 도시한 도면.
제2도는 본 발명에 따라 구성된 (CMP)장치에서의 슬러리의 재순환을 도시한 도면.
제3도는 본 발명에 따른 재새로운 슬러리용 연마대와 포획링의 횡단면도.
제4도는 포획링의 범람을 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 따른 재순환 공정의 흐름도.
* 도며의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 반도체 웨이퍼 11 : 연마대
12 : 운반체 13 : 샤프트
23 : 포획링 35 : 홈통
45 : 펌프 47 : 혼합 분기관
49 : 열 교환기 56 : 필터
이러한 본 발명의 목적들은 재순환 슬러리가 새로운 슬러리로 대체될 뿐만 아니라, 연마대를 가로질러 연속적으로 흐르는 소량의 슬러리가 소모되거나 폐기되지만, 재순환된 슬러리가 일정한 연마 속도를 제공하기 위해 사용되는 슬러리와 연속적으로 혼합되는 본 발명에 따라 달성된다. 슬러리는 포획링 내에서 재생되며 새로운 슬러리, 재생 화학 약품 또는 물과 재생된 슬러리를 혼합하기 위해 재순환 루프에 공급되며, 상기 혼합물을 테스트하고 여과하여, 상기 혼합물을 연마대 상에 반환한다. 상기 연마대에 반환된 양은 바람직하게 재생된 양을 약간 초과하여 홈통의 범람을 초래한다. 헹굼수는 연마 주기 사잉에 연마대를 습윤하게 유지시키기 위해 동일한 형태로 재순환된다.
도 1에서, 반도체 웨이퍼(10)는 폴리우레탄 층(13,14)과 금속 평판(15)을 포함하는 연마대(11) 위에 맞대어 위치하고 있다. 연마대(11)는 회전 테이블을 갖는 CMP 시스템에서는 직경이 50 내지 75cm 이며, 진동 테이블를 갖는 CMP 시스템에서는 직경이 25 내지 38 cm이다. 운반체(12)는 운반체 패드(16)를 통해 웨이퍼(10)의 후면에 대항하는 하향력을 부여한다. 운반체(12)는 연마되어질 웨이퍼보다 직경이 약간 더 큰 유지 링(19)을 포함한다.
연마 헤드내에서 웨이퍼를 둘러싼 유지 링은 웨이퍼 직경보다 약간 더 큰 내부 직경을 가지며, 웨이퍼와 링 사이에는 근소한 간극이 존재한다. 상기 링이 탄성 연마대에 대해 압축되는지 되지 않는지에 대해, ″엣지제거(edge exclusion)″연마가 균일하지 않은 웨이퍼의 주변에 대해 불가피하게 환형 영역을 갖는다. 엣지 제거는 너비 5 내지 10mm이며 얻어질 수 있는 우수한 다이로부터 웨이퍼의 면적을 가소시킨다.
운반체(12) 및 웨이퍼(10)는 웨이퍼가 회전하지 않을 때 얻을 수 있는 것보다 더 균일한 연마를 제공하기 위해 회전한다. 캐리어(12)는 연마 균일성을 개선하기 위해 연마대(11)상에 방사상으로 이동한다. 슬러리(17)는 웨이퍼가 연마대에 관련하여 이동하는 것과 같이 웨이퍼(10) 하에서 연마되고 흐르고 회전하는 동안 패드(11) 상에서 근소하게 휘젓는다. 슬러리는 연마되어진 필름과 화학 기계적으로 반응함으로써 연마 가공을 개시한다. 연마는 소정량의 재료가 제거될 때 까지 계속된다.
도 2는 본 발명에 따른 슬러리를 재순환하기 위한 장치를 기술하고 있다. 연마 공정 자체는 종래 기술과 유사하며 연마대 및 웨이퍼 운반체의 구성은 종래 기술과 동일하다. 즉, 본 발명에 따른 재순환 슬러리는 CMP 장치의 잔여물 내의 변화나 새로운 슬러리의 화학적 성질의 변화를 요구하지 않는다. 본 발명은 임의의 검사 또는 교체없이 슬러리 소모를 감소시킨다.
(도 2에 도시되지 않은) 반도체 웨이퍼는 연마대(11)에 대해 압축되며 샤프트(21)에 부착된 운반체(12)에 의해 회전된다. 연마대(11)는 화살표(22)에 나타난 것처럼 시계 방향으로 회전하며 운반체(12)는 화살표(25)에 나타난 것처럼 시계 방향으로 회전한다. 슬러리(31)는 분배관(33)을 통해 연마대(11) 상에서 흐르고 연마대(11)위로 방사상으로 외향으로 흐른다. 슬러리(31) 부분은 슬러리가 연마대 위로 흐르는 것과 같이, 웨이퍼를 연마 시키는데 사용된다. 연마대(11)의 주변부로부터 외부로 흐르는 슬러리는 상기 연마대의 주변부의 부분이거나 상기 주변부에 부착된 포획링(23)에 포착되어 있다.
종래 기술에서, 슬러리는 연마대의 엣지를 넘어 흐르고 연마대로부터 이격된 수직의 벽을 치고 수집 배수관으로 흘러 들어간다. 상기 시간동안, 슬러리는 슬러리의 양 대 표면적이 상당히 크고 , 특히 물방물이 형성되어 있다면, 건조된다. 게다가 입자는 덩어리져 버리고 슬러리는 바람직하지 못하게 변화한다. 포획링(23)은 슬러리가 대형의 노출된 표면적을 갖거나 건조되어짐없이 연마대(11)로부터 떨어져 나갈 때 슬러리를 포착한다.
도 3은 포획링(23)과 연마대(11) 엣지의 횡단면도이다. 포획링(23)은 연마대(11)의 주변부 둘레로 연장하며, 사용된 슬러리(37)를 재생시키기 위한 홈통(35)을 포함한다. 횡단면도에서 거의 반원형으로 도시된 홈통(35)은 소정의 횡단면 형상을 가지나 홈통의 외부 벽(38)이 연마대(11)의 상부 표면과 같은 동일한 높이를 가짐이 바람직하다. 홈통(35)은 편평한 표면으로 기계 가공되고 사용된 슬러리(37)가 부착, 건조, 또는 응고 및 홈통으로부터 벗겨지는 것을 방지하기 위해 테플론(Teflon(Ｒ))플라스틱과 같은 (도시되지 않은)비접착 플라스틱 층으로 바람직하게 덮혀있다.
도 4에 도시되어진 것처럼 본 발명의 바람직한 실시예에서, 사용된 슬러리는 재순환된 슬러리에 의해 교체됨에 따라 포획링(23)을 넘쳐 흐른다. 하단에 더 상세히 기술되어진 것처럼, 약 20%의 슬러리는 연마 주기동안 새로운 슬러리로 교체되며 종래 기술에 비해 많은 양을 절감할 수 있다. 첨가된 새로운 슬러리의 양은 1%이하에서 거의 100%에 이르기까지 넓은 범위로 변화할 수 있다.
도 2에서, 픽업 튜브(41)는 홈통(35)내에 있으며 홈통으로부터 사용된 슬러리의 부분을 회수하고 사용된 슬러리를 파이프(43)를 통해 펌프(45)에 출력측을 전달된다. 펌프(45)의 출력은 파이프(46)를 통해 혼합 분기관(47)에서 결합된다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 픽업 튜브(41) 및 배관은 테플론(Teflon(Ｒ))플라스틱으로 제조된다. 경질의, 또는 홈통내에서 머무르기 위해 경질로 지지되어 있고 슬러리와 화학적으로 반응하지 않는 임의의 재료가 대신하여 사용될 수 있다.
새로운 슬러리는 밸브(28)로부터 분기관(47)에까지 파이프(27)를 통해(도시되지 않은)적합한 저장기 또는 저장고로부터 공급된다. 연마되어진 재료로 적합한 알칼리, 계면활성제, 부유 요소, 산, 산화제, 또는 다른 화학제품과 같은 재생 화학품은 밸브(30)에 의해 파이프(29)를 통해 분기관(47)에(도시되지 않은)적합한 저장기 또는 저장고로부터 공급된다. 재생 화학 약품의 특성은 각각의 펌프 및 파이프가 분기관(47)에 재생 화학 약품을 전달하는데 사용되도록 요구된다.
탈염수(de-ionized water)는 압력하에서 밀폐된 밸브(35)에 정상적으로 공급된다. 밸브(35)의 출력은 파이프(34)를 통해 분기관(47)에 연결된다. 탈염수는 슬러리를 희석하거나 웨이퍼 또는 장치를 세척하는데 사용된다. 일부 경우에 있어서, 재생된 화학 약품, 새로운 슬러리, 사용된 슬러리, 및 탈염수는 결합되며 분기관(47)내에서 완전하게 결합하여 혼합한다. 최종적으로 재순환된 슬러리는 파이프(48)를 통해 소정의 온도에서 재순환 된 슬러리를 유지하기 위해 가열되거나 냉각되는 선택적인 열 교환기(49)로 흐른다.
열 교환기(49)로부터, 재순환된 슬러리는 PH 센서(51),온도 센서(52), 및 도전성 센서(53)와 같은 다수의 센서를 통해 흐른다. 특정 적용에 적합한 또 다른 센서는 탁도 센서, 농도계, 이온특정 전극, 전압전류계 전지,적외선 센서, 자외선 센서, 또는 가시 센서를 포함한다. 센서는 정보, 경보, 및 제어, 단일 또는 결합, 재생된 슬러리의 특성을 제어하기 위해 하나 이상의 피드백 루프를 포함한다. 예를 들어, 도전성 센서(53)는 밸브(30)를 통해 알칼리 또는 산의 흐름을 자동적으로 측정하기 위한 제어 루프(32)의 한 부분이다.
재순환된 슬러리는 3방향 밸브(55)를 통해 필터(56)로 흐르며 파이프(59)와 분배관(33)을 통해 연마대(11)상으로 흐른다. 분배관(33)의 단부 위치는 한계는 없으나 연마대의 표면을 가로지르는 액체의 원심 흐름으로 인해 연마대(11)의 중심 근처가 바람직하다.
헹굼 주기와 같은 일부 적용에서,분기관(47)으로부터 액체는 파이프(58)를 통해(도시되지 않은)배수관으로 향한다.
대형의 슬러리 입자는 필터(56)내에서 제거된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 필터(56)는 직경이 25μ 보다 큰 입자를 제거하도록 설계된다. 또 다른 필터 크기가 사용될 수 있으며 100μ 보다 더 큰 입자를 제거도록 설계된 필터는 소형의 입자를 제거하는 필터는 소형의 입자를 제거하는 필터보다 더 오랫동안 유지될 수 있다.
재순환된 슬러리의 양이 새로운 슬러리, 재생된 화학 약품, 또는 물의 유입으로 인해 연마대상에서 조성됨에 따라, 초과된 슬러리는 포획링(23)의 상충 위와 도시되지 않은 배수관 내부로 흐른다. 상기 시스템은 시스템에 추가된 액체의 양은 배수관에 흐르는 양과 동일한 정상 상태에서 공급및 블리드 시스템으로 작동한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 재생 루프를 통해 흐르는 양은 배수관에 흐르는 양보다 크다. 배수관에 보내어진 약 3 배 내지 10배의 양은 유용한 것으로 나타났고, 배수관에 보내어진 약 4 배에서 6배의 양이 바람직하다.
슬러리가 연마대(11) 상으로 흐르고 연마대(11)상에 과다하게 축적되지 않고 포획링(23)내부로 흐르도록 하는 것을 일정한 화학 및 물리적 특성을 갖는 슬러리를 제공하는 것이다. 샹들러 특허 및 카베기아 등에 의한 특허는 연마 표면상에 많은 양의 슬러리를 고정하기 위한 링 또는 릿지를 기술하고 있다. 즉, 슬러리의 특성은 슬러리가 변화할 때 연마시 연속적으로 변화하고 하나의 연마주기의 단부로부터 다은 연마 단계의 개시까지 갑작스럽게 변화하는 배치 가공을 기술하고 있다. 상기 변화는 일관성 및 균일성을 갖는다. 슬러리가 포획링을 넘쳐 흐르도록 하는 것을 재생되어질 슬러리의 양을 감소시키며 소량의 슬러리의 원심여과를 제공한다. 즉, 더 크고 무거운 분자는 홈통에 머무르기보다는 넘쳐흐르는 경향이 있다. 이는 다른 방법으로 필터(56)에 의해 제거되어지는 일부 입자를 제거한다.
본 발명의 또 다른 특성은 재순환된 슬러리를 구성하는다양한 성분은 상기 성분들이 연마대상에서 분배되기 전에 완전하게 혼합된다. 온도, PH, 및 도전율과 같은 슬러리의질을 결정하는 일련의 측정은 슬러리가 분배되고 슬러리가 효과적인 측정을 위해 잘 혼합되기 전에 행해진다. 따라서, 머피 등에 의한 특허 공보에 기술 되어진 것처럼 사용점 분배 시스템은 바람직하지 못하다. 완전한 혼합은 보다 정확한 측정과 보다 나은 제어를 보장한다.
온도, PH 및 도전율을 측정하는 것이 바람직하다 하더라도, 임의의 소정의 변수가 측정될 수 있으며 모든 변수가 측정에 필요한 것은 아니다. 재순환된 슬러리의 측정없이, 상기 가공은 유체 흐름이 특성화되고 일관성 있으며 웨이퍼 가공이 특성화되고 일관성있는 것처럼 상기 가공의 다른 부분이 더 한계를 갖는 것을 제외한 슬러리의 완전 혼합으로 인해 작동이 잘된다.
도 5는 본 발명에 따른 슬러리 처리의 흐름도이다. 상기 흐름도는 시스템이 작동하고 있음을 가정하고 있다. 새롭고 건조한 연마대로부터 작동 개시는 연마대의 습윤, 새로운 슬러리의 적용, 슬러리가 처음으로 재순환 루프에 유입될 때 시스템을 머추게 하는 단계를 수반한다. 다른 끝점에서, 시스템을 탈염수로 채우고, 재순환 루프를 차단하고, 물을 홈통으로부터 범람하게 하며 밸브(55)를 통해 배수관에 남아있는 물을 펌핑하는 단계를 수반하다.
슬러리가 시스템을 통해 순환된 후에, 웨이퍼는 운반체 내부로 충전되며 연마대에 적용된다. 슬러리 부분은 포획링으로부터 수집되며(단계 71), 슬러리 일부분은 배수관에서 포획링을 넘쳐흐른다. 재생된 슬러리는 재생 화학품과 필요에 따라 새로운 슬러리, 물등과 함께 혼합된 분기관에 펌핑된다(단계 72). 혼합된 분기관은 상기 성분들을 혼합하며(단계 73), 재순환된 슬러리를 상기 공정의 측정 단계를 통과한다(단계 74). 온도 및 다른 변수가 측정되며 밸브 및 열 교환기는 센서로부터 데이터에 따라 조절된다. 그 다음 재생된 슬러리는 여과된다.(단계 75). 여과된 이후에, 재생된 슬러리는 연마대에 보내지고 연마가 완료될 때 까지 순환은 계속된다. 바람직하게, 반환된 재순환 슬러리의 양은 제거된 양을 초과하여, 시스템으로부터 슬러리의 일부분을 대체한다(단계 77).
다량의 탈염수는 주기적으로 사용되며, 연마대를 습윤상태로 유지하고 슬러리가 연마대상에서 건조되지 않도록 하기 위해 주기적으로 사용되며, 때때로 밤새도록 사용된다. 본 발명의 또 다른 관점에 따라, 연마대를 습윤하게 하기 위해 오랜 대기 시간동안 탈염수 또는 PH 조절수의 재순환에 의해 탈염수 량을 저장할 수 있다. 부가적으로, 탈염수에 의해 연마대의 주기적인 상태는 재순환된 슬러리가 대기 시간중에도 흐르기 때문에 전체적으로 제거된다.
CMP 용으로 슬러리 이외의 재순환 화학 약품을 사용할 수 있다. 많은 공정에서 있어서, 제 2연마 또는 완충 단계는 탈염수 또는 PH조절 헹굼수를 사용한 제 2 연마 테이블과 선택 패드 상에서 시행된다. (범람이 있든 없든간에)회수, 재생, 측정, 여과, 및 재순환등의 슬러리와 동일한 방식으로 제2연마 테이블용 헹굼 화학품을 재순환시킬 수 있다.
본 발명의 보다 완벽한 이해는 다음의 실시예를 통해 얻어질 수 있으며, 본 발명을 제한하기 보다는 예를 들어 나타낸 것이다.
IPEC형 472 CMP 시스템, 카봇 SS12 슬러리, 로델 IC1000 및 로델 서바 Ⅳ 주요 패드, 로델 DF200 운반체 필름, 및 열 산화물로 피복된 200 mm 웨이퍼를 사용한 두가지 시험이 행해진다. 상기 웨이퍼는 2분동안 다음의 표준 과정에서 연마된다. IPEC 형 아반티 9000이선 CMP 정화에 사용된다. TENCOR 형 FT 1050이 성 연마 측정 및 산화물 두께의 선 연마 측정에서 사용되며 TENCOR 형 6200 이 선 연마 측정 및 제어 웨이퍼의 표면상에 자국 또는 결합의 후 연마 측정에 사용된다. 표준 49점 SEMI 두께 측정을 사용하여 측정된 웨이퍼 비균일성(WIWNU)내에서, 6mm의 엣지 제거 및 10mm엣지 제거에서 측정된다.
실시예1
이백개의 웨이퍼는 분단 40 밀리리터(ml/min)의 공급과 160 ml/min의 재순환된 슬러리 공급으로 재순환된 슬러리를 사용하여 평면화된다. 재순환 속도는 새로운 슬러리 200ml/min 으로부터 생슬러리 40ml/min의 정상 슬러리 사용량의 5배의 요소에 의해 감소를 나타낸다.
상기 시험은 모델 472 CMP 시스템용 IPEC로부터 이용가능한 산화물 웨이퍼 연마 공정을 사용하여 시행된다. 모든 열번째 웨이퍼는 나머지 웨이퍼가 산화물을 포함한 충전재인 반면 선측정된 200mm 프라임 버진 열산화물 웨이퍼이다. 전체 140개의 웨이퍼는 제1 일에 처리된다. 제 1일 동안, 나타난 공정은 비교적 안정되어 있다. 공정은 다음날에도 계속된다. 제거 속도가 안정되었다 하더라도, 개시된 각각의 웨이퍼 비균일성은 운반체 필름의 분해로 인해 증가된다. 상기 시험은 200개의 웨이퍼 뒤에 종결된다.
상기 분해는 두 개의 모니터를 갖는 10개의 부가적인 웨이퍼가 100% 새로운 슬러리를 사용하여 처리되고 동일한 분해를 나타냄으로 인해 재순환된 슬러리의 사용과 관련되지 않는다. 시험 #1의 결과는 분당 옴스트롬으로 측정된 제거 속도(R.R)와 1 시그마 표준 편차용 백분율로 측정된 비균일성으로 다음의 도표 1에서 주어진다.
도표1
일 1R - 140 웨이퍼 - 14 모니터 - 재순환 슬러리
일 2R - 60 웨이퍼 - 6 모니터 - 재순환 슬러리
일 2F - 10 웨이퍼 - 2 모니터 - 100% 새로운 슬러리
6mm 엣지 - 제거 10mm 엣지 - 제거
제거속도 Å/min % WIWNU 제거속도 Å/min % WIWNU
일 1 R 1632 5.76 1720 4.96
일 2 R 1641 10.91 1619 9.07
일 2 F 1769 18.72 1676 11.5*
* 연속 악화
200개의 웨이퍼 작동, 스크래치 결과
평균 스크래치 수 : 전 = 21.35 / 후 = 20.7
평균 스크래치 길이 : 전 = 46.5mm / 후 = 43.3mm
PH 범위(PH 조절 없음)
새로운 슬러리 : 11.25 평균 PH : 재새로운 슬러리 = 11.05 평균 PH
실시예 2
제2 시험은 새로운 패드와 새로운 운반체 필름을 사용하여 시작하였다. 대안의 카세트(20개의 웨이퍼: 10번째 웨이퍼마다 2개의 프라임 버진 TOX 모니터)가 재순환되고 새로운 SS12 슬러리를 사용하여 처리된다. 주기적인 슬러지 샘플이 분석용으로 취해진다. 100개의 웨이퍼는 3일째 상기 시간인 제거 속도 및 WIWNU는 안정 상태이다. 도표 2는 시험 2의 결과를 나타낸다. 제거 속도(WIWNU)에서 웨이퍼 대 웨이퍼 비균일성이 또한 측정된다.
도표 2
재순환된 슬러리 새로운 슬러리
평균 제거 속도: 10mm e.e 1715.6 Å/min 1775.6 Å/min
WIWNU 3.71 % 4.43%
WIWNU 1.62 % 1.93%
평균 제거 속도: 6mm e.e 1680.2 Å/min 1735.4 Å/min
WIWNU 4.20 % 4.35 %
WIWNU 2.23 % 2.74 %
웨이퍼당 평균 총 스크래치 수의 변화
- 0.75 -1.67
웨이퍼당 평균 총 스크래치 크기의 변화
-1.17mm -3.33 mm
본 발명으로 인해, 400개의 웨이퍼상에 총 4일간의 시험으로부터 결과는 200 ml/min에서 400ml/min까지 새로운 슬러리 사용량을 절약은 100% 새로운 슬러리와 동일한 성능에서 시행된다.
본 발명에서 전술한 바와 같이, 본 발명의 영역내에서 다양한 수정 및 변경이 있음을 당업자들은 명확하게 인지할 수 있다. 예를 들어, 연동 펌프는 본 발명의 하나의 실시예에서 사용되나 다른 형태의 펌프가 대신하여 사용될 수 있다. 웨이퍼상에 얇은 필름이 검토되는 한, 재순환 시스템은 연마 및 실리콘 웨이퍼의 평면화에 동일하게 작동된다. 본 발명은 편평한 패널 전시에 평면 재료와 같은 다른 기술에 적용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 적용은 유리, 플라스틱, 하드 디스크 드라이브 표면상에 무전 니켈, 인쇄 회로 다중층 세라믹 패키지, 칩 운반체 등을 포함한다. 본 발명은 모든 형태의 슬러리를 재순환하는데 사용될 수 있으며 CMP공정의 슬러리 이외의 화학품을 재순환시키는데 사용될 수 있다. 상기 장치는 필터나 첨가되는 재생 화학품 없이 만족스럽게 작동될 수 있다. 본 발명의 가장 간단한 형태에서, 새로운 슬러리를 갖는 포착 링으로부터 사용된 슬러리를 혼합하고 연마대에 혼합물을 반환하는 것은 CMP 연마용 수치에 작동되도록 도시되어 있다. 여과된 재료의 양은 여과 재순환 슬러리 대신에 재생된 슬러리를 여과시킴으로써 감소될 수 있다. 수집관과 분배관은 슬러리를 수집 또는 분배하기 위한 개방 단부를 포함하거나 또는 그 대신에 길이를 따라 몇 개의 구멍을 가질수 있다. 포착 링은 회전 패드로 사용된다. 동일한 장치는 상기 장치가 패드 또는 벨트로 이동되는 것을 제외하고 진동 패드 또는 벨트에 사용된다. 연마 하부 표면을 갖는 보유 링은 조절기로 사용될 수 있다.
본 발명으로 CMP장치 내에서 슬러리 및 헹굼수의 비용을 감소시킬 수 있고, 공정, 재료 또는 장치 내의 변화없이 슬러리를 재순환 시킬 수 있다.

Claims (31)

  1. 연마대를 구비한 CMP 장치에 있어서, 슬러리가 상기 연마대를 넘쳐 흐를때 사용된 슬러리를 수용하고 함유하기 위한 상기 연마대를 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 포획링과, 제1튜브로서, 상기 제1튜브의 제1단부를 통해 상기 사용된 슬러리의부분을 상기 포획링으로부터 회수하기 위한 제1튜브와, 출력측, 상기 제1튜브에 연결된 제1입력측, 새로운 슬러리의 공급원에 결합하기 위한 제2입력측을 갖는 혼합 분기관으로서, 상기 혼합분기관은 재순환된 슬러리를 생산하기 위해 상기 분기관의 입력측에 공급된 유체를 혼합하는 혼합 분기관과, 상기 연마대에 상기 재순환된 슬러리를 반환하기 위해 상기 혼합 분기관의 출력측에 결합된 제2튜브를 포함하는 CMP 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포획링으로부터 분당 사용된 슬러리의 소정의 양을 회수하기 위해 상기 제1튜브와 상기 제1입력측 사이에 결합된 펌프를 더 포함하는 CMP 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 재순환된 슬러리의 특성을 측정하기 위해 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 CMP 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리의 온도를 조절하기 위한 열 교환기를 더 포함는 CMP 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 재순환된 슬러리로부터 미립자 오염 인자를 제거하기 위한 필터를 더 포함하고 있는 CMP 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 사용된 슬러리용 화학품의 재생원에 결합하기 위한 제3입력측을 상기 혼합 분기관 위에 더 포함하고 있는 CMP 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 물 공급원에 결합하기 위한 제4입력측을 상기 혼합 분기관 위에 더 포함하고 있는 CMP 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2입력측에 결합된 제1 밸브, 상기 제3입력측에 결합된 제2밸브, 및 상기 제4입력측에 결합된 제3밸브를 더 포함하고 있으며, 상기 밸브는 상기 혼합 분기관으로의 유체 흐름을 조절하는 CMP 장치.
  9. 제8항에 있어서, 재순환된 슬러리의 양은 소정의 양을 초과하는 CMP 장치.
  10. 제9항에 있어서, 재순환 슬러리의 양은 10 내지 33% 만큼 상기 소정의 양을 초과하는 CMP 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브는 밀폐되어 있으며, 상기 제3밸브는 물로 상기 패드를 헹구기 위해 개방되어 있으며, 펌프는 상기 포획링으로부터 분당 상기 소정 양의 헹굼수를 회수하는 CMP 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 혼합 분기관으로부터 유출되는 헹굼수의 양은 상기 소정의 양을 초과하는 CMP장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 혼합 분기관으로부터 유출되는 헹굼수의 양은 10 내지 33% 만큼 상기 소정의 양을 초과하는 CMP 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 연마대를 가로질러 물이 흐르는 동안 상기 연마대를 정화시키기 위해 상기 연마대와 결합되는 조절기를 더 포함하는 CMP 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 포획링은 상기 사용된 슬러리를 수용하기 위한 홈통을 포함하며, 상기 제1튜브의 제1단부는 상기 홈통내에 있는 CMP 장치.
  16. 슬러리가 연마대에 적용되는 CMP 장치내에 슬러리를 재순환시키는 방법에 있어서, 연마대를 넘쳐 흐르는 슬러리를 모으기 위한 포획링을 갖는 연마대를 적어도 부분적으로 둘러싸는 단계와, 사용된 슬러리를 상기 포획링으로부터 회수하는 단계와, 재순환된 슬러리를 생산하기 위해 새로운 슬러리와 사용된 슬러리를 혼합시키는 단계와, 그리고 상기 재순환된 슬러리를 상기 연마대에 반환시키는 단계를 포함하는 CMP 장치내의 슬러리 재순환 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 회수 단계는 상기 연마대를 넘쳐 흐르는 모든 슬러리의 양보다 작은 양을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 포획링으로부터 회수된 사용된 슬러리의 분당 양은 연마대에 반환된 재순환 슬러리의 분당 양보다 적은 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 포획링으로부터 회수된 사용된 슬러리의 분당 양은 연마대에 반환된 재순환 슬러리의 분당 양보다 10 내지 33% 적은 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 포획링으로부터 회수된 사용된 슬러리의 분당 양은 연마대에 반환된 재순환 슬러리의 분당 양보다 16 내지 25%적은 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 혼합 단계는 재순환 슬러리를 생산하기 위해 상기 사용된 슬러리를 물과 새로운 슬러리로 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 혼합 단계는 재순환 슬러리를 생산하기 위해 상기 사용된 슬러리를 새로운 슬러리와 재생 화학품 및 물로 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 혼합 단계는 재순환 슬러리를 생산하기 위해 상기 사용된 슬러리를 물과 재생 화학품으로 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제16항에 잇어서, 상기 슬러리는 연마시에 소모된 산화제를 포함하고 있으며, 상기 혼합 단계는 재순환된 슬러리를 생산하기 위해 상기 사용된 슬러리를 새로운 슬러리를 새로운 슬러리 및 산화제와 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제16항에 있어서, 상기 혼합 단계는 상기 재순환 된 슬러리의 변수를 측정하는단계를 수반하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 변수는 온도이며, 상기 측정 단계는 소정의 범위내에 재순환된 슬러리의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 변수는 PH이며, 상기 혼합 단계는 소정의 범위내에서 재순환 슬러리의 PH를 유지시키기 위해 사용된 슬러리에 알칼리 또는 산을 부가하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 변수는 도전율이며, 상기 혼합 단계는 소정의 범위내에서 재순환 슬러리의 도전율을 유지시키기 위해 사용된 슬러리에 알칼리 또는 산을 부가하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 연마대에 헹굼수가 적용되는 CMP 장치내에 헹굼수를 재순환시키기 위한 방법에 있어서, 상기 연마대를 넘쳐 흐르는 헹굼수를 모으기 위한 포획링을 갖는 상기 연마대를 적어도 부분적으로 둘러싸는 단계와, 상기 포획링으로부터 헹굼수를 회수하는 단계와, 상기 헹굼수를 연마대에 반환하는 단계를 포함하는 CMP 장치 내의 헹굼수 재순환 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 회수 단계는 상기 연마대를 넘쳐 흐르는 모든 헹굼수의 양보다 작은 양을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 헹굼수가 연마대를 넘쳐흐르는 동안 상기 연마대를 조절하는 단계와, 상기 재반환 단계 이전에 헹굼수를 여과하는 단계를 더 포함하는 방법.
    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임
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