KR100363039B1 - 일정한 연마압력을 갖는 연마 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

기판이 탑재되는 연마 플래튼 (11), 연마 헤드 (13), 이 연마 헤드의 저면에 부착되는 연마 패드 (14), 및 연마 플래튼에 대해 수평방향으로 연마 헤드를 요동, 즉, 이동시키기 위한 요동부 (17 및 18) 를 포함하는 기판 (W) 연마 장치에서, 제어회로 (21) 가, 기판에 대한 연마 패드의 접촉면적에 따라서, 기판에 가해지는 연마 패드의 부하 (L(t)) 를 제어한다.

Description

일정한 연마압력을 갖는 연마 장치 및 방법 {POLISHING APPARATUS AND METHOD WITH CONSTANT POLISHING PRESSURE}
본 발명은 반도체 장치 패턴이 형성되는 반도체 웨이퍼의 표면 평탄화 공정에서의 기판 연마장치 및 연마방법에 관한 것이다. 이와 같은 연마 장치를 화학기계 연마 (CMP) 장치라고 한다.
제 1 의 종래 CMP 장치 (JP-A-63-256356 참조) 에서는, 연마포 (패드) 가 부착된 연마 플래튼 (polishing platen) 이 한 방향으로 회전하며, 이 연마 플래튼과 동일한 방향으로 연마 헤드가 회전한다.
또한, 반도체 웨이퍼의 후면은 연마 헤드의 저면에 고정 (chuck) 된다. 따라서, 회전 연마 헤드가 요동하는 동안, 즉, 수평방향으로 앞뒤로 움직이는 동안, 회전하는 연마 패드 상으로 회전 연마 헤드가 반도체 웨이퍼와 함께 푸시된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼의 전면이 편평해지게 (평탄화되게) 될 수 있다. 하기에 이를 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 상술한 제 1 의 종래 CMP 장치에서는, 반도체 웨이퍼의 연마면이 연마 패드 상으로 푸시되기 때문에, 반도체 웨이퍼의 연마면을 관찰하는 것이 불가능해져, 반도체 웨이퍼의 표면층 두께의 정확한 제어를 기대할 수 없게 된다. 또한, 연마 패드의 직경이 반도체 웨이퍼의 직경의 2 배 이상이므로, 대부분의 연마액 (연마재) 이 반도체 웨이퍼의 연마에 사용되어지지 않고 연마 플래튼의 회전으로 인한 원심력에 의해 분산되어, 연마액의 사용 효율이 낮아지게 된다.
제 2 의 종래 CMP 장치 (JP-A-5-160088 참조) 에서는, 반도체 웨이퍼가 탑재되는 연마 플래튼이 한 방향으로 회전하며, 이 연마 플래튼과 동일한 방향으로 연마 패드가 부착된 연마 헤드가 회전한다. 이 경우, 반도체 웨이퍼의 후면은 연마 플래튼 표면에 고정된다. 또한, 연마 패드의 직경은 반도체 웨이퍼의 직경보다 훨씬 작다. 또한, 연마 플래튼과 연마 패드는 동일한 방향으로 회전한다. 하기에 이를 또한 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 상술한 제 2 의 종래 CMP 장치에서는, 연마 패드의 직경이 반도체 웨이퍼의 직경보다 훨씬 작기 때문에, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드의 접촉면적이 매우 좁아져, 연마 효율이 매우 적어지게 된다.
또한, 연마 패드가 반도체 웨이퍼로부터 벗어나면, 반도체 웨이퍼에 대한 연마 패드의 접촉면적이 좁아지게 된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼의 에지에서의 연마 속도가 증가하게 된다.
또한, 연마 플래튼, 즉, 반도체 웨이퍼의 회전방향이 연마 헤드의 회전방향과 동일하므로, 대부분의 연마액이 반도체 웨이퍼의 연마에 사용되어지지 않고, 연마 플래튼으로 인한 원심력 및 연마 헤드로 인한 원심력에 의해 분산되어, 연마액의 사용 효율이 낮아지게 된다.
또한, 연마 패드가 원형이므로, 그 주변부에서는, 연마 패드의 연마력이 실질적으로 증대된다.
따라서, 연마 패드의 중심부에서는 연마력이 작아지는 반면, 그 주변부에서는 연마력이 커지게 된다. 이와 같이, 요동 (rocking) 동작임에도 불구하고, 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐 연마력을 균일하게 하는 것이 어렵게 된다.
또한, 하기에 상세하게 설명될, 제 3 의 종래 CMP 장치 (JP-A-7-88759 참조) 도, 제 2 의 종래 CMP 장치에서와 동일한 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은, 연마 효율이 크고, 반도체 웨이퍼 (기판) 의 주변부에서의 속도가 억제되며, 연마액을 매우 효율적으로 사용할 수 있는 연마 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 기판을 연마하기 위한 장치는, 기판을 탑재하는 연마 플래튼, 연마 헤드, 이 연마 헤드의 저면에 부착된 연마패드, 및 연마 플래튼에 대하여 연마 헤드를 수평방향으로 요동 (이동) 시키기 위한 요동부를 포함하되, 제어회로가, 기판에 대한 연마패드의 접촉면적에 따라, 기판에 인가된 연마패드의 부하를 제어한다. 그 결과. 기판 전체에 걸쳐 연마압력이 일정해질 수 있게 된다.
또한, 연마 방법에서는, 기판에 대한 연마 패드의 접촉면적을 계산한다. 그 후, 기판에 대한 연마패드의 접촉면적을 접촉 연마압력으로 곱하여 연마패드의 부하를 계산한다. 마지막으로, 이 연마패드의 계산된 부하에 따라, 연마패드의 부하를 제어한다.
종래 기술과 비교하여, 첨부 도면을 참조한 하기의 상세한 설명으로부터 본 발명을 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 제 1 의 종래 CMP 장치를 나타낸 측면도.
도 2 는 제 2 의 종래 CMP 장치를 나타낸 측면도.
도 3 은 제 3 의 종래 CMP 장치를 나타낸 측면도.
도 4 는 본 발명에 따른 CMP 장치의 일 실시예를 나타낸 측면도.
도 5a, 도 5b 및 도 5c 는 도 4 의 CMP 장치의 제 1 요동 동작을 설명하는 도면.
도 6a, 도 6b 및 도 6c 는 도 4 의 CMP 장치의 제 2 요동 동작을 설명하는 도면.
도 7 은 도 6a, 도 6b 및 도 6c 의 연마 패드를 변경한 도면.
도 8 은 도 4 의 CMP 장치에서의 연마액의 흐름을 설명하는 도면.
도 9a 는, 연마 헤드의 부하가 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리와 연마율간의 관계를 나타낸 그래프.
도 9b 는, 연마 헤드의 부하가 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리와 연마 비평탄도 (unevenness) 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 10 은 연마 헤드의 부하가 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리와 연마율간의 관계를 나타낸 그래프.
도 11 은 연마 헤드의 부하가 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 타원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리와 연마 비평탄도간의 관계를 나타낸 그래프.
도 12 는 도 4 의 CMP 장치에서 타원형 연마 패드를 사용할 경우의 요동거리를 나타내는 도면.
도 13a 는 연마압력이 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 타원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리의 시작점과 연마율간의 관계를 나타낸 그래프.
도 13b 는 연마압력이 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 타원형 연마 패드를 사용할 경우에, 요동거리의 시작점과 연마 비평탄도간의 관계를 나타낸 그래프.
도 14a 는 연마압력이 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 원형 연마 패드를 사용할 경우에, 웨이퍼의 회전속도와 연마율간의 관계를 나타낸 그래프.
도 14b 는 연마압력이 일정하다는 조건하에서 도 4 의 CMP 장치에서 원형 연마 패드를 사용할 경우에, 웨이퍼의 회전속도와 연마 비평탄도간의 관계를 나타낸 그래프.
도 15 는 도 4 의 CMP 장치가 인가되는 자동 연마장치의 부분 절단사시도.
도 16 은 도 15 의 연마장치의 일부분에 대한 사시도.
도 17 은 도 15 의 연마 헤드의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11, 101, 201, 301 : 연마 플래튼
12, 16, 103, 105, 202, 205, 302, 305, 308 : 모터
13, 37, 104, 203, 303 : 연마 헤드
14, 102, 204, 304 : 연마 패드
15 : 캐리어 17 : 요동 가이드 레일
18 : 요동 구동부 19 : 파이프
20 : 펌프 21, 208 : 제어회로
31 : 웨이퍼 캐리어 32 : 인덱스 테이블
33 : 웨이퍼 컨베이어 34 : 로봇 아암
35 : 핀 클램프 131, 371 : 가압 챔버
206 : 푸싱 기구 207 : 검출기
306 : 아암 307 : 공기 실린더
321 : 홀더 451 : 피드 스크류
107, 309a, 309b : 연마액 공급노즐
바람직한 실시예를 설명하기 전에, 도 1, 도 2 및 도 3 을 참조하여 종래의 CMP 장치를 설명한다.
제 1 의 CMP 장치 (JP-A-63-256356 참조) 를 도시한 측면도인 도 1 에서는, 연마 패드 (패드) (102) 가 부착된 연마 플래튼 (101) 이 모터 (103) 에 의해 한 방향으로 회전되며, 이 연마 플래튼과 동일한 방향으로 연마 헤드 (104) 가 모터 (105) 에 의해 회전된다. 이 경우, 연마 플래튼 (101) 의 회전속도는 연마 헤드 (104) 의 회전속도와 거의 동일하다.
또한, 반도체 웨이퍼 (W) 의 후면은 연마 헤드 (104) 의 저면에 고정된다. 그 후, 회전하는 연마 헤드 (104) 가 서로 결합된 고정 실린더 (106a) 와 요동 실린더 (106b) 에 의해 수평방향으로 요동 (이동) 하면서, 회전하는 연마 패드 (102) 상으로 푸시되면, 반도체 웨이퍼 (W) 의 전면이 편평해지게 된다.
또한, 연마 플래튼 (101) 의 중심부 위쪽에 연마액 공급 노즐 (107) 이 제공된다. 그 결과, 연마액 공급 노즐 (107) 로부터 연마 패드 (102) 로 연마액 (PL) 이 공급되며, 연마 플래튼 (101) 의 회전으로 인한 원심력에 의해, 연마 패드 (102) 의 중심부로부터 그 주변부로 연마액 (PL) 이 분산되게 된다.
그러나, 도 1 의 CMP 장치에서는, 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마면이 연마 패드 (102) 상으로 푸시되기 때문에, 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마면을 관찰하는 것이 불가능하게 되어, 반도체 웨이퍼의 표면층 두께의 정확한 제어를 기대할 수 없게 된다. 또한, 연마 패드 (102) 의 직경이 반도체 웨이퍼의 직경의 2 배 이상이므로, 대부분의 연마액 (PL) 이 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마에 사용되어지지 않고, 연마 플래튼의 회전으로 인한 원심력에 의해 분산되어, 연마액 (PL) 의 사용 효율이 낮아지게 된다.
제 2 의 CMP 장치 (JP-A-5-160088 참조) 를 도시한 측면도인 도 2 에서는, 반도체 웨이퍼 (W) 가 탑재되는 연마 플래튼 (201) 이 모터 (202) 에 의해 한 방향으로 회전되며, 이 연마 플래튼 (201) 과 동일한 방향으로 연마 패드 (204) 가 부착된 연마 헤드 (203) 가 모터 (205) 에 의해 회전된다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 의 후면이 연마 플래튼 (201) 의 표면에 흡착된다. 또한, 연마 패드 (204) 의 직경은 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경보다 훨씬 작다.
반도체 웨이퍼 (W) 상에 연마 패드 (204) 를 푸시하기 위해 푸싱 기구 (pushing mechanism; 206) 가 제공되며, 반도체 웨이퍼 (W) 의 절연층과 같은 층의 두께를 검출하기 위해 검출기 (207) 가 제공된다.
또한, 제어회로 (208) 는 검출기 (207) 의 출력신호를 수신하여, 모터 (202 및 205) 및 푸싱 기구 (206) 를 제어한다.
도 2 의 CMP 장치에서, 연마 플래튼 (201) 은 약 0 내지 수 rpm 의 속도로 회전되고, 연마 패드 (204) 는 약 60 내지 200 rpm 의 속도로 회전된다. 또한, 제어회로 (208) 는, 검출기 (207) 에 의해 검출된 반도체 웨이퍼 (W) 의 층 두께에 따라 푸싱 기구 (206) 를 제어한다. 그 후, 연마 헤드 (203) 가 수평방향으로 요동한다. 따라서, 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 걸쳐 층의 두께가 균일해지게 된다.
그러나, 도 2 의 CMP 장치에서는, 연마 패드 (204) 의 직경이 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경보다 훨씬 작기 때문에, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (203) 의 접촉면적이 매우 좁아져, 연마효율이 적아지게 된다.
또한, 연마 패드 (204) 가 반도체 웨이퍼 (W) 의 에지로부터 벗어날 경우에는, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (204) 의 접촉면적이 좁아지게 된다. 이 경우, 연마 헤드 (203) 의 부하 (L) 가 일정하면, 유효 연마압력 (P) 이 증대된다. 유효 연마압력 (P) 은
P = L/S
으로 표현되며, 이 때, S 는 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (204) 의 접촉면적이다. 그 결과, 연마속도가 증가하게 된다. 특히, 연마 패드 (204) 의 직경이 매우 작을 경우에는, 연마속도가 현저하게 증가하여, 심각한 문제로 된다.
또한, 연마 플래튼 (201), 즉, 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전방향이 연마 헤드 (203) 의 회전방향과 동일하기 때문에, 대부분의 연마액이 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마에 사용되어지지 않고, 연마 플래튼 (201) 으로 인한 원심력 및 연마 헤드 (203) 로 인한 원심력에 의해 분산되어, 연마액의 사용 효율이 낮아지게 된다.
또한, 연마 패드 (204) 가 원형이므로, 그 주변부에서는 연마 패드 (204) 의 연마력 (PP) 이 실질적으로 증대되게 된다. 즉, 연마 패드 (204) 의 원주 속도 (V) 는,
로 표현되며, 이 때, R 은 연마 패드 (204) 의 반경이고,는 연마 패드 (204) 의 각속도이다.
연마 패드 (204) 의 원주 길이 (CL) 는,
로 표현된다.
한편, 연마 부하가 일정하다면, 연마력 (PP) 은,
PP = V ㆍL
로 표현된다.
상기 수학식 1, 2 및 3 으로부터,
PP = 2R2ㆍ
이다.
따라서, 연마 패드 (204) 의 중심부에서는 연마력 (PP) 이 작아지는 반면, 연마 패드 (204) 의 주변부에서는 연마력 (PP) 이 커지게 된다. 그러므로, 연마효율을 증대시키기 위해 연마 패드 (204) 의 회전속도가 증가되면, 요동 동작임에도 불구하고 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 거쳐 연마력 (PP) 을 균일하게 하는 것이 어렵게 된다.
제 3 의 CMP 장치 (JP-A-7-88759 참조) 를 도시한 측면도인 도 3 에서는, 반도체 웨이퍼 (W) 가 탑재되는 연마 플래튼 (301) 이 모터 (302) 에 의해 한 방향으로 회전되며, 이 연마 플래튼 (301) 과 동일한 방향으로 연마 패드 (304) 가 부착된 연마 헤드 (303) 가 모터 (305) 에 의해 회전된다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 의 후면이 연마 플래튼 (301) 의 표면에 고정된다. 또한, 연마 패드 (304) 의 직경은 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경보다 훨씬 작다.
또한, 반도체 웨이퍼 (W) 상에 연마 패드 (204) 를 푸시하기 위하여 푸시 기구인 공기 실린더 (307) 및 아암 (306) 이 제공된다.
또한, 모터 (308) 에 의해 수평방향으로 연마 헤드 (303) 가 요동한다.
또한, 연마 플래튼 (301) 의 위쪽에 연마액 공급노즐 (309a 및 309b) 이 제공된다. 이와 같이, 연마액 공급 노즐 (309a 및 309b) 로부터 반도체 웨이퍼 (W) 상으로 연마액 (PL) 이 공급된다.
도 3 의 CMP 장치에서, 연마 플래튼 (301) 은 약 50 rpm 의 속도로 회전되고, 연마 패드 (304) 는 약 1000 rpm 의 속도로 회전된다. 또한, 연마 헤드 (303) 의 부하 (L) 는 공기 실린더 (305) 에 의해 약 0.01 내지 0.5 kg/㎠ 으로 설정된다.
모터 (308) 에 의해 분당 약 10 회 내지 100 회 정도 수평방향으로 연마 헤드 (303) 가 요동하면, 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 걸쳐 층의 두께가 균일해지게 된다.
그러나, 도 3 의 CMP 장치에서는, 연마 패드 (304) 의 직경이 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경보다 훨씬 작기 때문에, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (304) 의 접촉면적이 매우 좁아져, 연마 효율이 매우 적어지게 된다.
또한, 연마 패드 (304) 가 반도체 웨이퍼 (W) 의 에지로부터 벗어날 경우에는, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (304) 의 접촉면적이 좁아지게 된다. 이 경우, 연마 헤드 (303) 의 부하 (L) 가 일정하면, 유효 연마압력 (P) 이 증대된다. 그 결과, 연마속도가 증가하게 된다. 특히, 연마 패드 (304) 의 직경이 매우 작을 경우에는, 연마속도가 현저하게 증가하여, 심각한 문제로 된다.
또한, 연마 플래튼 (301), 즉, 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전방향이 연마 헤드 (303) 의 회전방향과 동일하기 때문에, 대부분의 연마액이 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마에 사용되지 않고, 연마 플래튼 (301) 으로 인한 원심력 및 연마 헤드 (303) 로 인한 원심력에 의해 분산되어, 연마액의 사용 효율이 낮아지게 된다.
또한, 도 2 의 CMP 장치에서와 마찬가지로, 연마 패드 (304) 가 원형이기 때문에, 연마효율을 증대시키기 위해 연마 패드 (304) 의 회전속도가 증가되면, 요동 동작임에도 불구하고 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 거쳐 연마력 (PP) 을 균일하게 하는 것이 어렵게 된다.
본 발명에 따른 CMP 장치의 일 실시예를 나타내는 도 4 에서, 반도체 웨이퍼 (W) 가 탑재되는 연마 플래튼 (11) 은 모터 (12) 에 의해 반시계방향인 제 1 방향으로 회전되며, 연마 패드 (14) 가 부착된 연마 헤드 (13) 는 모터 (16) 와 결합된 캐리어 (15) 에 의해 제 1 방향과는 반대의 시계방향인 제 2 방향으로 회전된다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 의 후면은 연마 플래튼 (11) 의 표면에 흡착된다. 또한, 연마 패드 (14) 는 원형 또는 비원형이다. 그러나, 연마 패드 (14) 의 실질적인 직경은 반도체 웨이퍼 (W) 직경의 약 1/2 이다.
연마 헤드 (13) 는 연마 패드 (14) 를 부착시켜 반도체 웨이퍼 (W) 상에 연마 패드 (14) 를 푸시하기 위한 플레이트 (132) 및 가압 챔버 (131) 로 구성된다. 이 경우, 공기 실린더 (도시되지 않음) 에 의해 가압 챔버 (131) 의 압력이 제어되어, 반도체 웨이퍼 (W) 에 가해진 연마 패드 (14) 의 부하 (L(t)) 가 변경된다.
연마 헤드 (13) 는 요동 구동부 (모터;18) 에 의해 구동되는 요동 가이드 레일 (17) 에 의해 수평방향으로 요동한다.
펌프 (20) 로부터 연마 패드 (14) 아래의 반도체 웨이퍼 (W) 에 연마액을 공급하기 위해, 연마 헤드 (13), 캐리어 (15) 및 모터 (16) 의 중심부에 파이프 (19) 가 제공된다.
모터 (12), 가압 챔버 (131) 의 부하 (L(t)), 요동 구동부 (18), 모터 (16) 및 펌프 (20) 는, 예를 들면, 컴퓨터로 구성된 제어회로 (21) 에 의해 제어된다.
이하, 도 5a, 도 5b 및 도 5c 를 참조하여, 도 4 의 CMP 장치의 제 1 요동 동작을 설명하며, 이 때, 연마 패드 (14) 는 원형이고, 그 직경은 반도체 웨이퍼 (W) 직경의 약 1/2 과 동일하다. 즉,
r ≒ R/2
이며, 이 때, r 은 연마 패드 (14) 의 반경이고, R 은 반도체 웨이퍼 (W) 의 반경이다.
먼저, 5a 를 참조하면, 시각 t0에서, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부에 대해 오른쪽 방향으로, 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 가
X(t0) = Xs
가 되도록 설정되며, 이 때, Xs는, 예를 들면, 시작 요동 거리이며 R/2 이다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 은
S(t0) = πr2
이다.
따라서, 연마 헤드 (13) 의 초기부하 (L(t0)) 가 L0로 주어질 경우, 연마압력 (P) 은
P = L0/S0
로 표현된다.
그 다음, 도 5b 를 참조하면, 시각 t1에서 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 는
X(t1) = XmXs
로 된다.
이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 이 좁아져,
S(t1) = S1< S0
로 된다.
따라서, 제어회로 (21) 가 연마 헤드 (13) 의 부하를
L(t1) = L0ㆍS1/ S0
= P ㆍS1
이 되도록 감소시킨다.
끝으로, 도 5c 를 참조하면, 시각 t2에서 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 는
X(t2) = XeXm
으로 되며, 이 때, Xe 는, 예를 들면, 0.8R 이다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t2)) 이 더 좁아져,
S(t2) = S2< S1
으로 된다.
따라서, 제어회로 (21) 가 연마 헤드 (13) 의 부하를
L(t2) = L0ㆍS2/ S0
= P ㆍS2
이 되도록 감소시킨다.
요동 동작 시간 t0에서 시간 t2까지의 사이클 기간이 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전 사이클 기간보다 더 길다는 것에 주목해야 한다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 에 따라 연마 헤드 (13) 의 부하 (L(t)) 가 변하기 때문에, 연마압력 (P) 이 일정해질 수 있다.
제어회로 (21) 가 좌표 (X(t)) 와 접촉면적 (S(X(t))) 간의 관계를 메모리내에 테이블로서 저장할 수 있음에 주목해야 한다. 이 경우, 제어회로 (21) 는, 연마 패드 (14) 의 현재 좌표 (X(t)) 를 검출한 후, 상술한 테이블을 이용하여 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적을 계산한다. 그 다음, 이 제어회로 (21) 는,
L(t) = PㆍS(t)
를 이용하여, 부하 L(t) 를 계산하며, 이 때, P 는 일정한 연마압력이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c 에서, 연마 패드 (14) 는 원형이며, 연마 패드 (14) 의 중심부에서는 연마력 (PP) 이 작은 반면, 그 주변부에서 연마력 (PP) 이 크다. 이와 같이, 연마효율을 증대시키기 위해 연마 패드 (14) 의 회전속도가 증가되면, 요동 동작임에도 불구하고 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 거쳐 연마력 (PP) 을 균일하게 하는 것이 어렵게 된다. 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 걸쳐서 연마력 (PP) 을 균일하게 하기 위해서는, 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 도시된 바와 같이, 연마 패드 (14) 가 타원형이 되어야 한다.
이하, 도 6a, 도 6b 및 도 6c 를 참조하여, 도 4 의 CMP 장치의 제 2 요동 동작을 설명하며, 이 때, 연마 패드 (14) 는 타원형이고 그 실질적인 직경은 반도체 웨이퍼 (W) 의 거의 1/2 이다. 즉,
r ≒ R/2
r = (a + b)/2
이며, 이 때, "a" 는 연마 패드 (14) 의 장축 길이이고, "b" 는 연마 패드 (14) 의 단축 길이이다.
R 은 반도체 웨이퍼 (W) 의 반경이다. 단축 길이 "b" 는 R 보다 더 짧은 것이 바람직하나, 장축 길이 "a" 에는 한계가 없다는 사실에 주목해야 한다.
먼저, 도 6a 를 참조하면, 시간 t0에서, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부에 대해 오른쪽 방향으로, 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 가
X(t0) = Xs
가 되도록 설정되며, 이 때, Xs는 시작 요동 거리이며 R/2 보다는 작고 b/2 보다는 크다. 따라서, 연마 패드 (14) 의 내접원이 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부에 도달하지 않게 된다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 은
S(t0) = πr2= π(a+b)2/4
이다.
따라서, 연마 헤드 (13) 의 초기부하 (L(t0)) 가 L0로 주어질 경우, 연마압력 (P) 은
P = L0/S0
로 표현된다.
그 다음, 도 6b 를 참조하면, 시각 t1에서 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 가
X(t1) = XmXs
로 된다.
이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 은 S1, 즉,
S(t1) = S1= S0
이다.
따라서, 연마 헤드 (13) 의 부하는
L(t1) = L0ㆍS1/ S0
= P ㆍS1
= L0
가 된다.
끝으로, 도 6c 를 참조하면, 시각 t2에서 연마 패드 (14) 의 중심 좌표 (X) 가
X(t2) = XeXm
으로 되며, 이 때, Xe는, 예를 들면, 0.85R 이다. 이 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t2)) 이 좁아져,
S(t2) = S2< S1= S0
로 된다.
따라서, 제어회로 (21) 가 연마 헤드 (13) 의 부하를
L(t2) = L0ㆍS2/ S0
= P ㆍS2
가 되도록 감소시킨다.
또한, 요동 동작 시간 t0에서 시간 t2까지의 사이클 기간이 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전 사이클 기간보다 더 길다는 것에 주목해야 한다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 에 따라 연마 헤드 (13) 의 부하 (L(t)) 가 변하기 때문에, 연마압력 (P) 이 일정해질 수 있게 된다.
또한, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 주변부의 접촉면적이 실질적으로 감소된다. 즉, 연마 패드 (14) 의 내접원 영역은 반도체 웨이퍼 (W) 와 항상 접촉하는 반면, 장축 "a" 의 외접원 및 단축 "b" 의 내접원에 의해 정의되는 연마 패드 (14) 의 환상 영역은 반도체 웨이퍼 (W) 와 간헐적으로 접촉한다.
따라서, 연마 패드 (14) 의 외주부와 접촉하는 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부 및 그 주변에서의 상대적인 연마속도의 증가가 억제되어, 반도체 웨이퍼 (W) 전체에 걸쳐 연마력 (PP) 이 균일해지게 된다.
또한, 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에서, 제어회로 (21) 가 좌표 (X(t)) 와 접촉면적 (S(X(t))) 간의 관계를 메모리내에 테이블로서 저장할 수 있음에 주목해야 한다. 이 경우, 제어회로 (21) 는 연마 패드 (14) 의 현재 좌표 (X(t)) 를 검출한 후, 상술한 테이블을 이용하여 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적을 계산한다. 그 다음, 제어회로 (21) 는,
L(t) = PㆍS(t)
를 이용하여, 부하 L(t) 를 계산하며, 이 때, P 는 일정한 연마압력이다.
또한, 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에서, 타원형 연마 패드 (14) 는 다른 비원형 연마 패드로 대체될 수 있다. 예를 들면, 도 7 에 도시된 바와 같이, 원형 연마 패드의 주변부 영역을 부분절단하여 비원형 연마 패드를 얻을 수 있다. 이 경우, 비원형 연마 패드와 동일한 면적을 갖는 등가 원의 반경을 미리 계산한다. 따라서, 제어회로 (21) 가 이 등가 원의 반경과 좌표 (X(t)) 를 이용하여 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 비원형 연마 패드 (14) 의 접촉면적 (S(t)) 을 계산할 수 있게 된다.
도 4 의 CMP 장치에서의 연마액의 흐름을 나타내는 도 8 에서는, 연마 패드 (14) 및 연마 헤드 (13) 가 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전방향과 반대방향으로 회전한다. 또한, 연마 헤드 (13) 의 회전속도의 절대치는 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전속도 절대치의 적어도 2배인 것이 바람직하다. 결과적으로, 연마 패드 (14) 에 의해 발생된 원심력으로 인한, 화살표 (801) 로 표시되는 연마액의 흐름이, 반도체 웨이퍼 (W) 에 의해 발생된 원심력으로 인한, 화살표 (802) 로 표시되는 연마액의 흐름과는 반대 반향으로 향하게 되어, 이 두 흐름이 서로 만나, 연마액이 반도체 웨이퍼 (W) 의 표면상에 오랫동안 머물게 된다. 이와 같이, 연마액의 공급율을 감소시킬 수 있다.
본 발명자는 다음의 조건하에서 도 4 의 CMP 장치를 동작시켰다:실리콘 산화층을 가진 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경은 200 mm 이었으며;이 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전속도는 반시계방향으로 30 rpm 이었고;5 내지 10 mm 피치로 배치된 1.5 mm 폭의 그루브 그리드를 가진 상표 IC1000/suba400 층 패드로 이루어진 원형 연마 패드 (14) 의 직경은 106 mm 이었으며;연마 헤드 (13) 의 부하 (L(t)) 는 일정한 26.3 kgw 이었고;요동 동작의 시작좌표 (Xs) 는 50 mm 이었으며;증류수에 20 wt % 의 콜로이드 실리카 입자들로 이루어진 연마액의 공급율은 50 cc/min 이었다.
상술한 조건하에서, 즉, 원형 연마 패드 (14) 의 직경이 반도체 웨이퍼 (W) 직경의 약 1/2 동안의 일정한 부하하에서는, 도 9a 에 도시된 바와 같이, 요동 동작에 의하여, 임의의 연마 패드 (14) 의 회전속도에서 연마율이 증대되었다. 그러나, 요동 거리 (= Xe- Xs) 가 30 mm 를 초과하면, 연마율이 떨어지는 경향이 있었다. 또한, 도 9b 에 도시된 바와 같이, 요동속도가 330 m/min 인 조건하에서는, 요동 동작에 의해 연마 비평탄도가 현저하게 감소되었다. 그러나, 요동거리 (= Xe- Xs) 가 증대되면, 연마 비평탄도가 다시 증대되었다. 예를 들면, 시계방향으로의 연마 패드 (14) 의 회전율이 300 rpm 이었을 경우, 요동 동작이 없을 때에는 연마 비평탄도가 41 % 에 달했지만, 요동 거리 10 mm (Xe= 60 mm) 의 요동 동작에 의해서는 연마 비평탄도가 ±20 % 로 감소되었다.
그러나, 반도체 웨이퍼 (W) 상의 실리콘 산화층이 그 중심부에서 국부적으로 얇아졌음이 발견되었으며, 이러한 경향은 요동거리가 20 mm (Xe= 70 mm) 로 길어졌을 때에도 변하지 않았다. 이와 같이, 연마 비평탄도가 ±20 % 레벨로 유지되었다. 요동거리가 더 길어졌을 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 의 주변부를 따라 연마율이 현저히 증가되어, 다시 연마 비평탄도가 증가되었다. 이는, 왜냐하면, 요동거리가 20 mm (Xe= 70 mm) 를 초과하면, 연마 패드 (14) 가 반도체 웨이퍼 (W) 의 주변부로부터 부분적으로 벗어나지만, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉면적은 상당히 감소되어 유효 연마압력 (P) 이 무시할 수 없을 정도로 높아지기 때문이었다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 표면에서의 요동 동작에 의해 연마 균일성이 향상되고 연마율이 높아질 수 있는 반면, 요동거리 (Xe- Xs) 가 과도하게 길어지면, 연마 패드 (14) 가 반도체 웨이퍼 (W) 의 주변부로부터 벗어나는 정도가 무시할 수 없게 되어, 일정 부하가 연마에 사용될 경우, 연마 패드 (14) 의 요동거리의 증가로 인해 유효 연마압력 (P) 이 증대되게 된다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 의 표면을 연마하도록 제작된 도 4 의 연마장치에서, 일정한 연마압력을 발생시키기 위해서는, 반도체 웨이퍼 (W) 의 외주부로부터 벗어나는 연마 패드 (14) 의 영향을 보상하는 기능이 필수적이다.
상술한 조건에서는, 연마 헤드 (13) 의 일정한 부하 (L(t)) 대신에, 연마압력 (P) 이 일정한 0.3 kg/㎠ 이었다. 즉, 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 연마 패드 (14) 의 접촉 면적 (S(t)) 에 따라 연마 헤드 (13) 의 부하 (L(t)) 가 변하여, 연마압력 (P(=L(t)/S(t)) 이 일정해지게 된다. 그 결과, 도 10 에 도시된 바와 같이, 원형 연마 패드를 사용한 경우에서는, 일정 부하를 사용한 경우와 비교하면, 연마압력 (P) 을 일정하게 유지하기 위해 연마 패드 (14) 가 반도체 웨이퍼 (W) 로부터 벗어한 면적을 보정함으로써, 연마 비평탄도가 감소될 수 있음을 알 수 있었다. 이는, 요동거리 (= Xe- Xs) 가 30 mm 를 초과하면 연마 비평탄도가 다시 현저해졌음에도 불구하고, 반도체 웨이퍼 (W) 의 외주부 및 그 주변에서의 비정상적인 연마를 보정함으로써 얻어진 결과를 나타낸다. 또한, 요동거리 (= Xe- Xs) 가 20 mm 로 감소되면, 연마 비평탄도가 ±17 % 정도로 유지되었다. 반도체 웨이퍼 표면에서의 연마율의 분포를 분석한 결과로서, 연마 패드 (14) 의 비평탄도를 보정하여 일정한 연마압력을 실현한 후에도, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심 영역 및 외주 영역에서의 연마율은 높음을 알 수 있었다. 따라서, 연마 비평탄화는, 연마압력의 변동에 의해서 뿐만 아니라, 연마 패드 (14) 의 어떠한 다른 부분보다도 빠른 속도로 회전하는 연마 패드 (14) 의 외주부와 접촉하는 반도체 웨이퍼 (W) 의 외주 영역 및 중심 영역에서의 상대적인 연마속도의 증가에 의해서도 초래된다는 것이 명백해지게 되었다.
반도체 웨이퍼 (W) 의 중심 영역 및 외주 영역의 상대적인 연마속도를 경감시키기 위해서, 원형 연마 패드 (14) 의 최외주부를 절단하여 타원형 연마 패드를 생성한 다음, 이를 반도체 웨이퍼 (W) 를 연마하는 데 사용하였다. 예를 들어, 이 타원형 연마 패드 (14) 는, 장축 길이가 100 mm 이고 단축 길이가 80 mm 이었다. 그 결과, 도 11 에 도시된 바와 같이, 중심 영역 및 외주 영역에서 상대적인 연마속도의 증가가 경감되어, 30 mm (Xe= 80 mm) 의 요동거리가 선택되었을 경우에도, 연마 비평탄도가 ±5 % 정도로 더 향상되었음을 알 수 있었다. 도 10 및 도 11 에서는, 시계방향으로의 연마 패드 (14) 의 회전속도가 400 rpm 임에 주목해야 한다.
한편, 도 12 에 도시된 바와 같이, 장축 길이를 100 mm 로 하고 단축 길이를 80 mm 로 하여 타원형 연마 패드 (14) 의 요동 운동 (motion) 의 시작점을 Xs= 50 mm 로 선택하였을 경우, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부는 이 타원형 연마 패드 (14) 의 두 정점이 그 곳을 통과할 경우에만 연마된다. 그 결과, 타원형 연마 패드 (14) 를 사용할 경우에는, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부에서의 연마속도가 상대적으로 감소하게 된다.
타원형 연마 패드 (14) 가 요동하지 않을 경우에는, 이 타원형 연마 패드 (14) 가 내접원의 내부, 및 외접원과 내접원 사이 영역에서 반도체 웨이퍼 (W) 에 항상 접촉하므로, 외접원 주변에서는 반도체 웨이퍼 (W) 에 대한 타원형 연마 패드 (14) 의 접촉시간이 상대적으로 감소하게 된다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부와 타원형 연마 패드 (14) 의 상대적인 접촉시간은, 타원형 연마 패드 (14) 의 요동 운동의 시작점 (Xs) 을 이 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심부 쪽으로 이동시킴으로써 조절될 수 있다.
도 13a 및 도 13b 는, 100 mm 의 장축 길이 및 80 mm 의 단축 길이를 가진 타원형 연마 패드를 사용하였을 경우에 얻어진 연마 비평탄도에 대한 요동 운동의 시작점 (Xs) 의 영향을 나타낸 그래프이다. 이 때, 이 타원형 연마 패드 (14) 의 요동 동작의 결과로서 반도체 웨이퍼 (W) 로부터 부분적으로 벗어나는 타원형 연마 패드 (14) 의 운동을 고려하여, 요동 운동의 끝점 (Xe) 을 80 mm 로 유지하고 연마압력 (P) 도 일정하게 (0.3 kg/㎠) 유지하였다.
연마 비평탄도는, 요동 동작의 시작점 (Xs) 을 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심에 근접하도록 함으로써, 즉, 시작점 (Xs) 을 낮게함으로써, 감소되었다. 연마 비평탄도는 Xs= 45 mm 에서 최소로 되었다. 즉, 시작점 (Xs) 이 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심에 더 근접하게 되면, 반도체 웨이퍼의 중심부의 상대 연마속도가 다시 증가하여, 연마 비평탄도가 증대되었다.
이와 같이, 타원형 연마 패드의 경우, 단축 길이는 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경의 1/2 보다 더 짧아야 하지만, 장축 길이에는 어떠한 제한도 없다. 예를 들면, 반경이 R 인 반도체 웨이퍼를 연마하기 위해서는, 타원형 연마 패드의 단축 길이는 0.7R 과 0.9R 사이에 있고 장축 길이는 1.0R 과 1.5R 사이에 있을 때, 최적의 효과를 발생시킬 수 있다. 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심을 지나가는 반지름선상에 위치한 요동 운동의 시작점 (Xs) (타원형 연마 패드의 좌표 원점) 은, 타원형 연마 패드의 외접원과 내접원에 의해 정의되는 환상 벨트사이에 반도체 웨이퍼 (W) 의 중심이 위치하는 것일 수도 있다. 즉,
0.5bXs 0.5a
로서, 이 때, "a" 는 타원형 연마 패드 (14) 의 장축 길이이고, "b" 는 타원형 연마 패드 (14) 의 단축 길이이다.
이하, 도 14a 를 참조하여, 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전속도와 연마율의 관계를 설명한다.
도 14a 에서는, 도 4 의 CMP 장치를 다음의 조건하에서 동작시켰다.
즉, 실리콘 산화층을 가진 반도체 웨이퍼 (W) 의 직경은 200 mm 이었고, 5 내지 10 mm 피치로 배치된 1.5 mm 폭의 그루브 그리드를 가진 상표 IC1000/suba400 층 패드로 이루어진 원형 연마 패드 (14) 의 직경은 106 mm 이었으며, 요동 동작의 시작좌표 (Xs) 는 50 mm 이었고, 요동 동작의 끝좌표 (Xe) 는 70 mm 이었으며, 요동속도는 330 mm/min 이었고, 연마압력 (P) 은 0.3 kg/㎠ 이었다.
도 14a 에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 가 100 rpm 의 속도로 반시계방향으로 회전하도록 구동되면 (-100 rpm 으로 표시됨), 이 반도체 웨이퍼 (W) 의 실리콘 산화층은 1100 Å/min 의 속도로 연마되었다. 웨이퍼의 회전속도가 -30 rpm 으로 감소되면, 연마속도도 약간 감소되었다. 그 후, 이 반도체 웨이퍼 (W) 가 연마 패드 (14) 와 동일한 시계방향으로 200 rpm 까지 구동될 때까지, 연마속도는 계속하여 감소되었다. 이는, 연마 패드 (14) 가 연마될 반도체 웨이퍼 (W) 직경의 1/2 직경을 가질 경우, 400 rpm 으로 회전하는 연마 패드 (14) 의 주변부 속도가 200 rpm 으로 회전하는 반도체 웨이퍼 (W) 의 주변부 속도와 같아져, 연마력 (PP) 이 현격히 감소되기 때문이다.
그 후, 연마율은 증가를 나타내었다. 그러나, 웨이퍼의 회전속도가 100 rpm 을 초과하면, 50 cc/min 의 연마액 공급율로 인해 연마중인 표면이 손상되어, 연마액의 공급율을 200 cc/min 으로 증가시켜야만 하였다. 연마 패드 (14) 에 대해 반대 방향으로 100 rpm 으로 (즉, -100 rpm) 회전하도록 반도체 웨이퍼 (W) 가 구동될 경우에는, 연마중인 표면이 손상되지 않았다.
이는, 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전방향과 연마 패드 (14) 의 회전방향이 밀접하게 관련됨을 뜻한다. 회전하는 웨이퍼에 의해 반도체 웨이퍼 (W) 상의 연마액에 가해지는 원심력이 회전방향에 의존하지는 않지만, 회전하는 연마 패드 (14) 가 반도체 웨이퍼 위에 위치되므로, 연마액이 이 회전하는 연마 패드 (14) 에 의해 발생된 원심력에 의해서 영향을 받게 된다. 반도체 웨이퍼 (W) 와 연마 패드 (14) 가 둘다 동일 방향으로 회전하도록 구동되면, 연마액은 그 결합된 원심력에 의해 고정된 방향으로 반도체 웨이퍼 (W) 상에 흐르게 되어, 반도체 웨이퍼 (W) 의 표면으로부터 가속적으로 연마액이 분산되게 된다. 이것이, 상기 실험에서 연마액의 공급율을 높여야 했던 이유일 수도 있다.
이하, 도 14b 를 참조하여, 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전속도와 연마 비평탄도간의 관계를 설명한다.
도 14b 에서는, 도 14a 에서와 동일한 조건하에서 도 4 의 CMP 장치를 동작시켰다.
도 14b 에서, 연마 비평탄도는, 반도체 웨이퍼 (W) 가 -30 rpm 의 속도로 회전할 때 최소이었으며, 연마 패드 (14) 와 동일한 방향으로 반도체 웨이퍼 (W) 의 회전속도가 증가함에 따라 증대되었다. 특히, 연마 비평탄도는, 반도체 웨이퍼 (W) 와 연마 패드 (14) 가 동일한 방향으로 400 rpm 으로 회전하도록 구동될 때 현저해졌다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 (W) 의 표면을 손상시키지 않고 연마액을 효율적이고 경제적으로 사용하여 고속의 연마 동작을 행하기 위해서는, 연마 패드 (14) 와 반도체 웨이퍼 (W) 가 서로 반대 방향으로 회전하도록 구동하는 것이 매우 중요하다.
이하, 도 15, 도 16 및 도 17 을 참조하여, 도 4 의 CMP 장치가 적용될 자동연마장치를 설명한다.
이 자동연마장치는 반도체 웨이퍼 상에서 제 1 연마작업 및 제 2 연마작업을 수행하도록 되어 있다.
도 15 에서, 참조번호 31 은 웨이퍼 캐리어를 나타내며, 32 는 인덱스 (index) 테이블을 나타내고, 33 은 웨이퍼 컨베이어를 나타낸다.
인덱스 테이블 (32) 은 웨이퍼 로딩 (loading) 스테이션 (S1), 제 1 연마 스테이션 (S2), 제 2 연마 스테이션 (S3) 및 웨이퍼 언로딩 (unloading) 스테이션 (S4) 으로 분할된다.
이 스테이션들 (S1 내지 S4) 은 인덱스 테이블 (32) 의 각 정지 위치에 배치된다. 이와 같이, 인덱스 테이블 (32) 은 반도체 웨이퍼들 (W) 을 유지하는 4개의 홀더 (321) 를 가지며, 90°회전할 때마다 각각의 반도체 웨이퍼들 (W) 을 스테이션들 (S1 내지 S4) 로 피드한다.
웨이퍼 로딩 스테이션 (S1) 은 반도체 웨이퍼들 (W) 을 인덱스 테이블 (32) 로 이동시키는 영역이고, 언로딩 스테이션 (S4) 은 인덱스 테이블 (32) 로부터 반도체 웨이퍼들 (W) 을 이동시키는 영역이다. 제 1 연마 스테이션 (S2) 은 인덱스 테이블 (32) 로 이동된 반도체 웨이퍼들 (W) 이 평탄화 공정으로 들어가는 영역을 말하며, 제 2 연마 스테이션 (S3) 은 평탄화 공정이 종료된 후에 반도체 웨이퍼들 (W) 이 마무리되는 영역을 말한다.
웨이퍼 로딩 스테이션 (S1) 에서는, 웨이퍼 캐리어 (31) 에 적재되어 있던 반도체 웨이퍼들 (W) 이, 로봇 아암 (34) 에 의해 하나씩 하나씩 핀 클램프 (35) 상으로 인출되며, 웨이퍼 후면 세정 브러시 (도시되지 않음) 에 의해 그 후면이 세정된다. 동시에, 웨이퍼 로딩 스테이션 (S1) 의 홀더 (321) 표면도, 여기에 증류수가 공급되는 동안, 회전식 세라믹 플레이트 (36) 에 의해 문질러지고 세정된다.
그 후, 후면이 세정된 반도체 웨이퍼 (W) 는 세정된 표면을 가진 로딩 스테이션 (S1) 의 홀더 (321) 상으로 이동되어, 진공 척 (vacuum chuck) 에 의해 견고하게 흡착된다. 그 다음, 인덱스 테이블 (32) 이 90°회전하면서, 홀더 (321) 상의 반도체 웨이퍼 (W) 가 제 1 연마 스테이션 (S2) 으로 이동된다.
제 1 연마 스테이션 (S2) 에서는, 연마 헤드 (37) 에 의해 반도체 웨이퍼 (W) 에 평탄화 공정이 행해진 다음, 제 2 연마 스테이션 (S3) 으로 이동되어 또다른 연마 헤드 (37') 에 의해 마무리 공정이 행해진 후, 웨이퍼 언로딩 스테이션 (S4) 으로 이동되어 웨이퍼 전면 세정 브러시 (38) 에 의해 반도체 웨이퍼 (W) 의 연마면이 대충 세정된다.
이와 같이 대충 세정한 후에, 반도체 웨이퍼 (W) 는 홀더 (321) 로부터 핀 클램프 (35') 로 이동되며, 여기서, 웨이퍼 후면 세정 브러시 (도시되지 않음) 에 의해 웨이퍼 후면이 대충 세정된다. 그 후, 반도체 웨이퍼 (W) 는 웨이퍼 컨베이어 (33) 상으로 이동된 다음, 또다른 로봇 아암 (34') 에 의해 정밀 웨이퍼 세정부 (도시되지 않음) 로 이동된다. 한편, 인덱스 테이블 (32) 은 90°회전하여, 현재 반도체 웨이퍼 (W) 가 없는 홀더 (321) 를 웨이퍼 로딩 스테이션 (S1) 으로 복귀시켜, 다음 웨이퍼 (W) 를 받아들일 준비를 한다.
또한, 제 1 연마 스테이션 (S2) 및 제 2 연마 스테이션 (S3) 에는 패드 컨디셔너 (conditioner; 40 및 40') 및 패드 세정 브러시 (41 및 41') 가 각각 제공된다.
더 상세하게는, 도 16 을 참조하면, 도 16 에는 도시되지 않지만 도 17 에 도시된, 연마 헤드 (37) 의 저면에 접착되어 있는 연마 패드 (374) 의 표면을 세정하는 데 이 패드 컨디셔너 (40 및 40') 가 사용된다.
이 저면상의 연마 패드를 운반하는 연마 헤드 (37) (연마 패드가 접착되어 있는 플레이트) 는 캐리어 (42) 상에서 위치설정되며, 이 연마 헤드 (37) 를 상하 수직으로 이동시키기 위한 공기 실린더 (43) 와 연마 헤드 (37) 가 회전하도록 구동하기 위한 회전식 구동모터 (44) 가 연마 헤드에 제공된다. 캐리어 요동 구동부 (45) 는 레일 (46) 을 따라 배치된다.
요동 구동부 (45) 에서는, 피드 스크류 (screw; 451) 가 캐리어 (42) 의 피드 구동 기구 (모터; 452) 에 의해 구동됨에 따라 회전하게 되어, 이 회전식 피드 스크류 (451) 에 의해 캐리어 (42) 가 대기 위치에서 레일 (46) 을 따라 제 1 연마 스테이션 (S2) 의 홀더 (321) 상으로 이동된다. 그 후, 캐리어는 공기 실린더의 제어하에 홀더 (321) 를 따라 아래로 이동한다. 이와 같이, 연마 헤드 (37) 가 회전식 구동모터 (44) 의 제어하에서 회전하는 동시에 레일 (46) 을 따라 선형으로 이동하게 되므로, 홀더 (321) 상에서 회전하는 반도체 웨이퍼 (W) 상에서 요동 운동을 나타내게 된다.
요동 구동부 (45) 는 연마 헤드 (37) 의 중심 좌표를 정확히 검출하여, 피드 속도 및 요동 범위를 제어한다. 또한, 요동 구동부 (45) 는 연마 헤드 (37) 의 중심 좌표에 대한 데이터를 제어회로 (21) 로 전송한다.
더 상세하게, 도 15 의 연마 헤드 (37) 의 상세 단면도인 도 17 을 참조하면, 연마 헤드 (37) 는 압력 실린더 (371), 베이스 플레이트 (372) 및 연마 패드 (374) 를 가진 플레이트 (373) 로 구성된다. 또한, 구동 플레이트 (375) 및 다이어프램 (diaphragm; 376) 은 압력 실린더 (371) 와 베이스 플레이트 (372) 사이에 배치되며, 이 구동 플레이트 (375) 및 다이어프램 (376) 의 다층 구조는 그 외주부에 있는 플랜지 (flange) 에 의해 지지되는 반면, 압력 실린더 (371) 는 하부 에지에 있는 볼트 (377) 에 의해 견고하게 유지된다.
연마 패드 (374) 를 가진 플레이트 (373) 는 베이스 플레이트 (372) 에 견고하게 고정된다. 이 연마 패드 (374) 는 발포 폴리우레탄과 같은 경질 폴리머막으로 이루어진다.
다이어프램 (376) 은 압력 실린더 (371) 와 베이스 플레이트 (372) 간의 갭및 압력 실린더 (371) 의 내부를 밀폐되게 유지하는 데 사용되며, 베이스 플레이트 (372) 의 방향으로의 어떠한 3차원적 변화도 따라가도록 배치된다. 또한, 이 다이어프램 (376) 은 베이스 플레이트 (372) 의 강도를 강화시킨다. 본 발명에 따르면, 연마 헤드 (37) 의 가압 챔버 (371) 의 압력을 조절함으로써, 반도체 웨이퍼에 가해지는 부하가 제어된다.
압력 실린더 (371) 가 가요성 (flexibly) 지지되기 때문에, 연마 헤드 (37) 가 3차원 클리어런스 (clearance) 를 가질 수 있게 되어, 레일 (46) 과 웨이퍼 표면이 근소한 차이로 평행해지지 않을 가능성과 같은 레일 (46) 의 근소한 기계적 부정확성으로 인한 연마 부하의 어떠한 변화도 보상할 수 있게 된다. 그 결과, 연마 헤드 (37) 가 요동할 경우, 이 연마 헤드는 반도체 웨이퍼 (W) 에 소정의 부하를 일정하게 가할 수 있게 된다.
도 17 에서, 참조번호 378 은 연마액 공급 구멍을 나타낸다.
도 15, 도 16 및 도 17 에서, 본 발명에 따른 연마 방법이 제 1 연마 공정 뿐만 아니라 제 2 연마 공정에서도 효과적임이 명백해졌다. 여기에 사용된 연마공정은 반도체 웨이퍼의 표면층 또는 반도체 웨이퍼 자체의 평탄화 공정을 뜻하며, 또한, 금속층 또는 절연층을 반도체 웨이퍼의 그루브내로 매립하는 매립/평탄화 공정도 뜻한다. 또한, 제 1 연마공정에서는 타원형 연마 패드가 사용되고, 제 2 연마공정에서는 원형 연마 패드가 사용된다. 타원형 연마 패드를 사용할 경우에는, 반도체 웨이퍼의 중심영역과 외주영역에서 연마율이 낮아지는 반면, 원형 연마 패드를 사용할 경우에는, 이들 영역에서의 연마율이 반대로 높아진다. 이와 같이, 서로 다른 형태의 연마 패드를 제 1 연마공정 및 제 2 연마공정에 각각 사용하여 차별화된 연마율 분포를 보정함으로써, 반도체 웨이퍼의 전체 표면을 매우 균일하게 연마할 수 있게 된다. 반대로, 제 1 연마공정에서는 원형 연마 패드를 사용하고, 제 2 연마공정에서는 타원형 연마 패드를 사용하여, 동일한 효과를 실현할 수 있음은 두 말할 필요가 없다.
상술한 실시예에서, 반도체 웨이퍼 상에 실리콘 산화물로 이루어진 표면층이 연마되어 평탄해졌음에도 불구하고, 본 발명을 위한 웨이퍼 표면층의 재료에는 제한이 없다. 본 발명에 따른 연마장치에 의해 연마되어 평탄화될 반도체 웨이퍼의 표면층에 사용될 수 있는 막재료는, 알루미늄, 동, 텅스텐, 탄탈 (tantalum), 니오브 (niobium) 및 은과 같은 금속, TiW 과 같은 합금, 텅스텐 규화물 및 티타늄 규화물과 같은 금속 규화물, 탄탈 질화물, 티타늄 질화물 및 텅스텐 질화물과 같은 금속 질화물 및 다결정 실리콘을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 연마장치에 의해 연마되어 평탄화될 웨이퍼의 표면층에 사용될 수 있는 재료는, 폴리이미드, 비정질 탄소, 폴리에테르 및 벤조시클로부탄 (benzocyclobutane) 과 같은 유기 폴리머를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 사용될 수 있는 연마액은 실리카 미세 입자, 알루미나 미세 입자 또는 세륨 산화물 미세 입자의 분산 용액일 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼의 전면 (全面) 에서 연마압력이 일정해질 수 있기 때문에, 어떠한 연마 비평탄도도 최소화될 수 있게 된다. 또한, 반도체 웨이퍼와 연마 패드가 반대방향으로 회전하도록 구동되기 때문에, 연마액을 효율적이고 경제적으로 사용하여 연마액의 소모율이 현격히 감소되므로, 반도체 웨이퍼의 연마 비용을 저감시킬 수 있게 된다. 또한, 반도체 웨이퍼에 대한 저속의 연마액 공급속도에 의해, 연마될 반도체 웨이퍼 표면의 일부분으로부터 연마액을 제거하는 작업이 용이해져, 연마 동작의 종점 검출에 대한 정확도가 향상되게 된다.

Claims (30)

  1. 기판이 탑재되는 연마 플래튼 (11);
    연마 헤드 (13);
    상기 연마 헤드의 저면에 부착된 연마 패드 (14);
    상기 연마 헤드에 접속되고, 상기 연마 플래튼에 대하여 상기 연마 헤드를 요동시키는 요동부 (17 및 18); 및
    상기 연마 헤드 및 상기 요동부에 접속되는 제어회로 (21) 를 구비하며,
    상기 제어회로는 상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 접촉면적 S(t) 를 계산하고, 상기 접촉면적에 따라서 연마압력(P)을 일정하게 유지하기 위해서, 상기 기판에 가해지는 상기 연마 패드의 부하 L(t)를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 (W) 연마장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 접촉면적 (S(t)) 을 계산하고, 상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 접촉면적을 일정 연마압력값 (P) 으로 곱하여 상기 연마 패드의 부하를 계산하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 직경은 상기 기판 직경의 약 1/2 인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 타원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    "a" 는 상기 연마 패드의 장축 길이이고, "b" 는 상기 연마 패드의 단축 길이인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 단축 길이는 상기 기판의 반경보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 연마장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 비원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    r 은 상기 연마 패드와 동일한 면적을 가진 원형 연마 패드의 등가 반경인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형 연마 패드의 주변부 중의 한 부분 이상을 부분절단하여 얻어진 연마 패드인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 연마 플래튼과 상기 연마 헤드가 서로 반대방향으로 회전하도록 구동하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 연마액을 상기 기판에 공급하기 위한 파이프 (19) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  11. 기판이 탑재되는 연마 플래튼 (11);
    연마 헤드 (13);
    상기 연마 헤드의 저면에 부착된 연마 패드 (14) ;
    상기 연마 헤드에 접속되고, 상기 플래튼에 대하여 상기 연마 헤드를 요동시키는 요동부 (14 및 15); 및
    상기 연마 플래튼과 상기 연마 헤드에 접속되고, 상기 연마 플래튼과 상기 연마 헤드가 서로 반대방향으로 회전하도록 구동하는 제어회로를 구비하며,
    상기 연마 패드의 기판 직경이 상기 기판 직경의 약 1/2 인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 타원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    "a" 는 상기 연마 패드의 장축 길이이고, "b" 는 상기 연마 패드의 단축 길이인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 단축 길이는 상기 기판의 반경보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 연마장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 비원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    r 은 상기 연마 패드와 동일한 면적을 가진 원형 연마 패드의 등가 반경인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형 연마 패드의 주변부 중의 한 부분 이상을 부분절단하여 얻어진 연마 패드인 것을 특징으로 하는 연마장치.
  17. 삭제
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 연마액을 상기 기판에 공급하기 위한 파이프 (19) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  19. 기판이 탑재되는 연마 플래튼 (11);
    연마 헤드 (13);
    상기 연마 헤드의 저면에 부착된 연마 패드 (14) ;
    상기 연마 헤드에 접속되고, 상기 플래튼에 대하여 상기 연마 헤드를 요동시키는 요동부 (14 및 15); 및
    상기 연마 헤드와 상기 요동부에 접속되어 접촉면적 S(t)를 계산하는 제어회로 (21) 를 구비하는 연마 장치내에서 기판을 연마하는 방법에 있어서,
    상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 접촉면적 (S(t)) 을 계산하는 단계;
    상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 접촉면적을 일정한 연마압력값 (P) 으로 곱하여 상기 연마 패드의 부하를 계산하는 단계; 및
    상기 연마 패드의 계산된 부하에 따라서 상기 연마 패드의 부하를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 (W) 연마방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 직경은 상기 기판 직경의 약 1/2 인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 타원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    "a" 는 상기 연마 패드의 장축 길이이고, "b" 는 상기 연마 패드의 단축 길이인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  23. 삭제
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 단축 길이는 상기 기판의 반경보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 연마방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 비원형이고, 상기 접촉면적은,에 의해 계산하며,
    r 은 상기 연마 패드와 동일한 면적을 가진 원형 연마 패드의 등가 반경인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 원형 연마 패드의 주변부 중의 한 부분 이상을 부분절단하여 얻어진 연마 패드인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  27. 삭제
  28. 제 19 항에 있어서,
    상기 연마 플래튼과 상기 연마 헤드가 서로 반대방향으로 회전하도록 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 연마 헤드의 회전속도는 상기 기판 회전속도의 2 배인 것을 특징으로 하는 연마방법.
  30. 기판이 탑재되는 연마 플래튼 (11);
    연마 헤드 (13);
    상기 연마 헤드의 저면에 부착된 연마 패드 (14); 및
    상기 연마 헤드에 접속되고, 상기 연마 플래튼에 대하여 상기 연마 헤드를 요동시키는 요동부 (17 및 18) 를 구비하는 연마 장치내에서 기판 (W) 을 연마하는 방법에 있어서,
    상기 연마 패드의 중심위치와 상기 연마 패드의 부하간의 관계를 계산하는 단계;
    상기 관계를 테이블에 저장하는 단계; 및
    상기 테이블을 기준으로, 상기 연마 패드의 현재 중심위치에 따라서 상기 기판에 가해지는 상기 연마 패드의 부하 (L(t)) 를 제어하여, 상기 기판에 접촉되는 상기 연마 패드의 접촉 연마압력이 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 기판 (W) 연마방법.
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