WO2019027077A1 - 에지부분이 라운드된 연마패드 드레서 및 그 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면에 다이아몬드 입자가 형성된 연마패드 드레서(a polishing pad dresser) 및 연마장치에 있어서, 표면이 드레서의 중심으로부터 평평한 평면부; 표면이 라운드 에지로 형성된 만곡부; 표면이 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이지며, 평면부는 회전축으로부터 드레서 외경의 89%이하까지 위치하고, 만곡부는 회전축으로부터 드레서 외경의 89%보다 크며, 드레서 외경의 96%이하이고, 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 에지부분이 라운드된 연마패드 드레서 및 연마장치에 대한 것이다.

Description

에지부분이 라운드된 연마패드 드레서 및 그 연마장치

본 발명은 에지부분이 라운드된 연마패드 드레서 및 연마장치에 관한 것이다.

반도체 제조 공정 중 웨이퍼의 표면을 평탄하게 하기 위한 폴리싱 공정이 포함되어 있다. 폴리싱 공정에 관해 간략하게 설명하면, 상정반 및 하정반에 각각 결합된 한 쌍의 연마패드 사이에 웨이퍼를 배치한 후, 슬러리를 웨이퍼로 공급하면서 상정반 및 하정반을 회전시키면, 연마패드와 웨이퍼 사이의 마찰에 의해 웨이퍼 표면이 마모되면서 평탄하게 된다.

한편, 상기와 같이 웨이퍼를 연마하는 과정에서, 슬러리가 연마패드에 응집되거나 웨이퍼와 연마패드 사이의 마찰에 의해 연마패드의 표면에 글레이징(glazing) 현상이 발생하게 된다. 그리고, 이와 같이 글레이징 현상이 발생된 부분은 웨이퍼의 불균일한 마모를 유발하게 되며, 그 결과 웨이퍼의 평탄도가 악화되게 된다.

대상물에 세라믹 연마제와 에칭능력을 갖는 슬러리 용액을 첨가하여 대상물의 표면을 다이아몬드 공구로서 기계적 제거가공과 화학적인 제거가공을 하나의 가공방법으로 혼합한 화학적/기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing:이하 'CMP'라 칭함) 공정이라고 하고, 그 공정에 사용되는 다이아몬드 공구는 컨디셔너 또는 드레서라고 하며, 통상 다이아몬드를 포함하는 공구로 이루어진다.

최근에는 산업의 발전에 따라 반도체 분야에서도 비약적인 발전이 이루어져, 반도체의 고집적화를 위해 단위 면적당 많은 칩의 생산을 위한 배선의 다층화를 통한 웨이퍼 상태로 칩을 제조하는 방법이 사용되고 있으며, 균일한 칩의 생산을 위해 웨이퍼의 광역 평탄화하는 연마작업의 중요성이 대두되고 있다.

따라서, 최근 반도체 선폭이 미세해 짐에 따라 이를 제어 하기 위한 CMP 공정특성이 고온과 강산의 가혹한 환경으로 변화하고 있으며, 이러한 변화가 CMP 컨디셔너에 미치는 영향으로는 (111)결정면으로 형성된 다이아몬드를 사용 했을 때, 부분적으로 물리적 작용에 의해 연마 입자가 탈락되는 현상이 문제되고 있다.

본 발명의 목적은 다이아몬드 연마입자를 보다 강하게 연마기구에 결합시키기 위해 다이아몬드 표면을 어떻게 형성시키고 어느 영역만큼 다이아몬드 입자를 형성시킬 것인가에 대한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 표면에 다이아몬드 입자가 형성된 연마패드 드레서(a polishing pad dresser)에 있어서, 표면이 평평한 평면부; 표면이 라운드 에지로 형성된 만곡부; 표면이 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이지며, 평면부는 회전축으로부터 드레서 외경의 89%이하까지 위치하고, 만곡부는 회전축으로부터 드레서 외경의 89%보다 크며, 드레서 외경의 96%이하이고, 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 에지부분이 라운드된 연마패드 드레서 및 연마장치를 제공하는 것이다. 이때, 표면이 평평한 평면부는 회전축에 대해 수직방향인 평면부일 수 있다.

본 발명에 따르면, 연마패드 표면의 일부에만 다이아몬드 입자를 형성하고, 에지 부분을 라운딩함으로서, 다이아몬드 입자의 사용을 만곡부 만큼만 사용하고 경사부에는 사용하지 않음으로서 다이아몬드 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 경사부로 인해 전후좌우 이동 시 연마패드 면의 효율적인 사용을 가능하도록 한다.

도 1는 연마패드 표면에 만곡부가 없는 경우와 만곡부가 있는 경우에 대해 패드 높이비교이다.

도 2는 연마패드의 진행할 때 연마패드의 전면부가 리프트(lift) 현상을 도시한 것이다.

도 3은 연마패드 중심축으로부터 반경을 따라 패드 높이의 변화를 측정한 그래프이다.

도 4는 측면 라운딩 중 만곡부의 영역의 개시지점을 설정하기 위한 그래프이다.

도 5는 만곡부 영역의 개시지점을 고정하고, 만곡부 영역의 종료지점을 설정하기 위한 그래프이다.

이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1는 표면에 만곡부(20)가 형성된 연마패드 드레서(이하, 연마패드)이며, 윗부분이 가공면이 형성된 밑면이고 아래부분이 회전축과 연결된다.

연마패드의 밑면에는 표면 연마를 위해 통상 다이아몬드 입자가 부착된다. 통상적으로, 연마패드의 밑면은 평면을 형성한다.

본 발명의 연마패드도 중심의 주변으로 중앙부를 포함한 일정 직경까지는 평평한 평면부(10)를 형성한다. 이를 달리 나타내면 표면이 평평한 평면부는 회전축에 대해 수직방향인 평면부일 수도 있다. 또한, 연마패드의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 평면부에 연결되며, 평면부와는 달리 연마되는 대상평면으로부터 연마패드의 밑면 즉 가공면까지 거리가 증가된다. 즉, 회전축(40)을 지나도록 단면을 절개했을 때, 일정 곡률반경(R)을 이루는 만곡부(20)가 평면부에 이어져 형성되며, 다이아몬드 입자는 평면부와 만곡부에만 형성된다. 또한, 만곡부에 연결되어 경사부(30)가 형성된다. 경사부(30)는 일정 곡률반경(R)을 이루는 만곡부(20)와 달리 일정 기울기(a)를 갖는다.

즉, 중심으로부터 평면부(10), 만곡부(20), 경사부(30)의 순으로 연마패드의 밑면이 형성된다.

도 1에 의하면, 연마패드의 밑면 중 평면부가 가공대상면에 면접되어 있는 경우라면, 평면부만 가공에 이용될 뿐, 만곡부는 비록 평면부처럼 다이아몬드 입자가 형성되어 있다고 하더라도, 평면부로만 가공될 뿐 만곡부로는 가공이 이루어지지 않는다고 예상된다. 그러나, 연마패드의 이송 시에 도 2에서와 같이 연마패드의 기울어짐 현상이 있기 때문에 실질로는 그렇지 않다. 즉, 만곡부를 형성하는 이유는 연마패드의 가공 시 연마패드 회전축의 움직임에 따라 연마패드가 끌려가는 현상에 의해 연마패드가 진행방향으로는 가공면으로부터 거리가 작아지고, 연마패드의 뒷부분은 들려지는 리프트 현상(lift현상, 도 2의 어두운 부분)이 나타나기 때문이다. 통상 리프트 현상과 가공이 동시에 이루어지므로, 만곡부(20)보다 앞서 경사부(30)가 형성된다. 경사부에는 다이아몬드 입자가 박혀있지 않아 가공에 참여하지는 않는다. 그럼에도 경사부를 형성하는 이유 역시 리프트 현상 때문이다. 즉, 리프트 현상에 의해, 경사부(30)는 실질적인 리프트 각도만큼의 경사를 형성하며, 만곡부(20)는 실질적으로 기울어진 연마패드의 밑면 즉, 가공면에 에 형성된 다이아몬드에 의해 가공대상면(60)이 가공되도록 한다.

도 2는 연마패드(50)의 진행방향이 바뀔 때 회전축(40)이 가공대상면(60)에 대해 직각을 유지하는 것이 아니라, 연마패드의 앞부분이 낮아지고 뒷부분이 약간 들려지는 현상이 발생함을 보여준다. 따라서, 진행방향에 따라 연마패드의 앞부분에는 만곡부(20)에 의해 가공이 되는 영역이 존재할 수 있다. 이러한 경향은 후진 시에도 마찬가지이므로 반대편에도, 즉 연마패드의 회전축에 대해 대칭이 되도록 형성한다. 일정곡률반경을 이루는 만곡부와 달리 경사부는 회전축을 지나도록 단면을 절개했을 때, 일정 기울기를 갖는다.

도 3은 연마패드 중심축으로부터 반경을 따라 패드 높이의 변화를 측정한 그래프이다. 기존의 연마패드에서처럼 만곡부가 없는 경우에 비해 패드의 높이의 변화폭이 감소했음을 알 수 있다. 즉, 초기에는 일정한 연마패드 높이가 가공대상면을 가공함에 따라 다이아몬드 입자에 마모가 발생하게되는데, 만곡부 및 경사부와 같은 라운딩이 없는 일자형 연마패드에 비해서 만곡부가 있는 경우가 반경방향으로 측정한 패드 높이의 변화폭이 작은 것을 알 수 있다. 이는 측면 라운딩이 있는 경우가 연마면이 전체적으로 급격한 마모부위가 존재하지 않음을 의미한다.

반면에 측면 라운딩이 없는 경우는 연마패드 중심영역에서는 급격한 패드 높이차를 보이면서 반경방향에 따라 급격한 마모변화의 차이가 심하다. 전체적인 연마패드의 마모된 높이만 비교한다면, 측면 라운딩의 경우 연마패드 중심영역에서 마모로 높이가 많이 낮아짐을 알 수 있으며, 이에 비해 측면 라운딩이 없는 경우는 연마패드 중심영역에서 마모된 높이 변화가 측면 라운딩이 있는 경우에 비해 덜하다. 그러나 이러한 특정영역에서의 마모 높이의 변화보다는 연마패드 면에서의 패드 높이의 편차가 작은 경우가 연마 기능을 지속하기에 더 유리하다. 왜냐하면 회전동력 전달축의 길이만 조절하면 연매패드를 지속적으로 사용할 수 있기 때문이며, 이에 비해 동일 연마패드 면에서의 패드 높이편차가 심해지면 연마성능이 저하 될 수 밖에 없기 때문이다.

도 4는 측면 라운딩 중 만곡부의 영역을 연마 패드 전체 외경과 비교한 그래프이다. 도 3으로부터 측면 라운딩이 중요하다는 것을 알수 있다. 이에 더나가, 도 4는 연마기능을 수행하는 만곡부의 영역을 얼마나 확보할 것인가에 대해 비교한 그래프로서, 만곡부 영역을 외경 대비 89~96%로 한 경우와 외경 대비 87~96%로 한 경우를 비교한 것이다. 그 결과, 도 4는 만곡부 영역을 외경 대비 89~96%로 한 경우에 만곡부 영역을 외경 대비 87~96%로 한 것보다 패드 높이의 변화가 더 작다는 것을 보여준다. 즉, 만곡부 시작 영역이 외경 대비 89%보다 작으면 연마가공 후에 연마패드의 반경에 따른 패드 높이의 변화가 더 크다. 즉, 만곡부의 시작영역이 지나치게 중심영역에 가까울수록, 평면부는 줄어들고, 만곡부가 증가한다. 만곡부의 시작영역이 중심영역에 너무 가까우면 평면부 영역이 지나치게 줄어들면서 중심영역에 의한 연마가공이 불규칙해지고 이로 인해 패드 높이의 변화폭도 커지게 된다.

도 5는 만곡부 영역의 개시지점을 연마패드 직경의 89%로 고정하고, 만곡부 영역의 종료지점을 정하기 위해 연마패드 직경의 94%인 지점과 96%인 지점에서의 일정시간 가공 후 패드 높이의 반경방향으로의 높이변화를 비교한 그래프이다. 도 5에서 보듯이 만곡부가 연마패드 직경의 89~94%인 경우에 비해 만곡부가 연마패드 직경의 89~96%인 경우가 연마패드 반경방향에 따른 패드 높이변화폭이 줄어들었음을 알 수 있다. 즉, 초기 패드 높이에 비해 만곡부가 연마패드 직경의 89~96%인 경우가 중심영역에서 더욱 많이 마모되며, 중심영역을 벗어나면 만곡부가 연마패드 직경의 89~94%인 경우나 만곡부가 연마패드 직경의 89~96%인 경우는 큰 차이는 없다. 따라서 전체영역으로 볼 때, 중심영역에서 더 많은 마모가 발생한 만곡부가 연마패드 직경의 89~96%인 경우가 반경방향에 따른 패드 높이변화폭이 적은 것이다.

한편, 만곡부가 연마패드 직경의 89~94%인 경우에 비해 연마패드 직경의 89~96%인 경우는 그만큼 경사부가 좁아짐을 의미한다. 경사부가 좁아지면 경사부에서의 기울기는 더욱 가파르게 된다. 반면에 만곡부가 구간이 넓어지면서 연마패드의 전후좌우 이동 시 회전동력 전달축에 대한 쏠림현상에 대해 더욱 안정적인 가공면이 확보되기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 만곡부의 최대영역은 연마패드 직경의 89%이상 96%이하인 경우가 반경방향에 따른 패드 높이 폭이 줄어들어 더욱 안정되고 지속적인 연마가공이 가능함을 알게되었으며, 이때의 경사부 기울기는 만곡부와 만나는 지점에서 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도를 이룬다.

연마패드 드레서가 적용되는 연마장치는 대상물을 고정하는 고정부; 축을 중심으로 회전하면서 상기 대상물을 연마하는 드레서를 포함하며, 상기 드레서는 표면이 평평한 평면부; 표면이 라운드 에지로 굴곡형성된 만곡부; 표면이 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이진 라운딩 에지가 포함될 수 있다. 이때, 표면이 평평한 평면부는 회전축에 대해 수직방향인 평면부일 수 있다.

[부호의 설명]

10 : 평면부 20 : 만곡부

30 : 경사부 40 : 회전축

50 : 연마패드 60 : 가공대상면

Claims (16)

1. 표면에 다이아몬드 입자가 형성된 연마패드 드레서(a polishing pad dresser)에 있어서,

   상기 표면이 평평한 평면부;

   상기 표면이 라운드 에지로 굴곡형성된 만곡부;

   상기 표면이 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이진 라운딩 에지가 있는 드레서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 평면부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%이하까지 위치하는 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 만곡부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%보다 크며, 상기 드레서 외경의 96%이하인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
5. 표면에 다이아몬드 입자가 형성된 연마패드 드레서(a polishing pad dresser)에 있어서,

   상기 표면이 회전축에 대해 수직방향인 평면부;

   상기 표면이 상기 평면부로부터 라운드 에지로 굴곡형성된 만곡부;

   상기 표면이 만곡부로부터 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이진 라운딩 에지가 있는 드레서.
6. 제5항에 있어서,

   상기 평면부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%이하까지 위치하는 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
7. 제5항에 있어서,

   상기 만곡부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%보다 크며, 상기 드레서 외경의 96%이하인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
8. 제5항에 있어서,

   상기 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 드레서.
9. 대상물을 고정하는 고정부;

   축을 중심으로 회전하면서 상기 대상물을 연마하는 드레서를 포함하는 연마장치에 있어서,

   상기 드레서는

   상기 표면이 평평한 평면부;

   상기 표면이 라운드 에지로 굴곡형성된 만곡부;

   상기 표면이 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이진 라운딩 에지가 포함된 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 평면부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%이하까지 위치하는 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 만곡부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%보다 크며, 상기 드레서 외경의 96%이하인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
13. 대상물을 고정하는 고정부;

    축을 중심으로 회전하면서 상기 대상물을 연마하는 드레서를 포함하는 연마장치에 있어서,

    상기 드레서는

    상기 표면이 회전축에 대해 수직방향인 평면부;

    상기 표면이 상기 평면부로부터 라운드 에지로 굴곡형성된 만곡부;

    상기 표면이 만곡부로부터 일정 기울기를 갖는 경사부로 이루이진 라운딩 에지가 포함된 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 평면부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%이하까지 위치하는 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
15. 제13항에 있어서,

    상기 만곡부는 회전축으로부터 상기 드레서 외경의 89%보다 크며, 상기 드레서 외경의 96%이하인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.
16. 제13항에 있어서,

    상기 경사부의 기울기는 상기 만곡부와 만나는 지점에서 상기 드레서 평면부에 대한 평행연장선에 대해 5~11도인 것을 특징으로 하는 라운딩 에지가 있는 연마장치.

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