KR100546288B1 - 화학 기계적 폴리싱 장치 - Google Patents

화학 기계적 폴리싱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화학 기계적 폴리싱 장치는 연마 패드, 웨이퍼 캐리어, 제1 링, 제2 링 및 세정액 공급관을 포함한다. 연마 패드는 회전 가능하도록 설치되며 연마 공정중에 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 접촉된다. 웨이퍼 캐리어는 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 연마 패드의 표면 방향으로 향하도록 반도체 웨이퍼를 적재한다. 제1 링은 반도체 웨이퍼 및 웨이퍼 캐리어의 가장자리를 둘러싸서 연마 공정중에 반도체 웨이퍼 및 웨이퍼 캐리어와 함께 회전하면서 반도체 웨이퍼가 이탈되는 것을 억제한다. 제2 링은 일정한 간격의 틈을 사이에 두고 제1 링의 둘레를 감싸되, 바깥면과 안쪽면 사이를 관통하는 복수개의 홀들이 형성되어 있으며, 연마 공정중에 밑면이 연마 패드의 일부와 고정적으로 접촉되어 반도체 웨이퍼의 가장자리 부분의 연마 프로파일을 향상시킨다. 그리고 세정액 공급관은 홀들 및 제1 및 제2링 사이의 틈내에 세정액을 공급할 수 있도록 제2 링의 복수개의 홀들 중 적어도 어느 하나에 연결된다.

Description

화학 기계적 폴리싱 장치{Chemical-mechanical polishing (CMP) apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 내부 구조를 확대하여 나타내 보인 도면이다.
도 3은 도 1의 제2 링을 입체적으로 나타내 보인 도면이다.
도 4는 도 1의 패드 컨디셔너의 내부 구조를 나타내 보인 단면도이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위한 화학 기계적 폴리싱(Chemical-mechanical polishing; 이하 "CMP"라 칭함) 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로 스크래치(micro scratch)를 억제시킬 수 있는 화학 기계적 폴리싱 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 집적도가 증가함과 더불어 다층 배선 공정이 실용화되었고, 이에 따라 층간 절연막의 국부적(local) 및 전체적(global) 평탄화에 대한 중요성이 크게 대두되고 있다. 현재 슬러리 용액내의 화학적 성분과 연마 패드 및 연마제를 이용한 기계적 성분을 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 화학-기계적 방법으로 연마하는 CMP 방법이 유력하게 대두되고 있는 추세이다.
일반적으로 CMP 설비는 회전 정반부, 연마 헤드부 및 패드 컨디셔너(pad conditioner)를 포함하여 구성된다. 회전 정반부는 회전이 가능하도록 구동 모터와 연결된 연마 정반(polishing platen)과 연마 정반상에 부차된 연마 패드(polishing pad)를 포함하여 구성된다. 연마 헤드부는 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 캐리어(wafer carrier)와, 반도체 웨이퍼가 연마중에 이탈하는 것을 방지하도록 케리어의 주위를 둘러싸는 제1 링과, 제1 링의 주위를 둘러싸도록 설치되어 연마시에 연마 패드를 눌러줌으로써 반도체 웨이퍼의 가장자리 부분의 프로파일을 향상시키기 위한 제2 링을 포함하여 구성된다. 그리고 패드 컨디셔너는 모터 샤프트에 연결되어서 연마 패드상의 일정 영역으로 이동 가능하며, 연마 패드의 표면 상태를 조절하기 위한 다이아몬드 디스크와, 이 다이아몬드 디스크를 지지하는 디스크 홀더와, 지지대 및 모터 샤프트에 각각 연결된 헤드를 포함하여 구성된다.
이와 같은 CMP 장치에 있어서, 반도체 웨이퍼의 연마하고자 하는 면이 연마 패드의 표면과 대향되도록 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 캐리어상에 흡착시키고, 이어서 슬러리를 공급하면서 연마 패드 및 반도체 웨이퍼를 회전시킨다. 이때 반도체 웨이퍼와 연마 패드 사이를 적절하게 가압함으로써 반도체 웨이퍼의 표면이 연마되도록 한다. 한편, 연마 패드의 일 부분상에는 패드 컨디셔너를 위치시켜 연마 패드의 표면 상태가 적절하게 유지되도록 한다.
그런데, 상기와 같은 CMP 장치를 사용하여 연마 공정을 진행하는 과정에서 연마 패드상에 공급되는 슬러리가 상기 제1 링과 제2 링 사이와, 제2 링에 형성된 홀내에, 그리고 패드 컨디셔너의 헤드와 디스크 홀더 사이에 스며들 수 있다. 이와 같이 틈새 및 홀내에 스며든 슬러리는 빠른 속도로 응고된다. 물론 대부분 연마 공정이 종료된 후에 연마 헤드부, 연마 패드 및 패드 컨디셔너는 각각 세정되지만 이 세정은 표면상의 이물질 제거에 국한되므로 틈새 및 홀내에 스며들어 이미 응고된 슬러리는 세정 작업이 이루어진 후에도 제거되지 않는다. 이와 같이 제거되지 않은 슬러리들은 다음 연마 공정에서 웨이퍼의 표면을 손상시키는 마이크로 스크래치의 주 원인이 되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 스크레치를 억제시키는 화학 기계적 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 태양에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치는 연마 패드, 웨이퍼 캐리어, 제1 링, 제2 링 및 세정액 공급관을 포함한다. 상기 연마 패드는 회전 가능하도록 설치되며 연마 공정중에 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 접촉된다. 상기 웨이퍼 캐리어는 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 상기 연마 패드의 표면 방향으로 향하도록 상기 반도체 웨이퍼를 적재한다. 상기 제1 링은 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 캐리어의 가장자리를 둘러싸서 연마 공정중에 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 캐리어와 함께 회전하면서 상기 반도체 웨이퍼가 이탈되는 것을 억제한다. 상기 제2 링은 일정한 간격의 틈을 사이에 두고 상기 제1 링의 둘레를 감싸되, 바깥면과 안쪽면 사이를 관통하는 복수개의 홀들이 형성되어 있으며, 연마 공정중에 밑면이 상기 연마 패드의 일부와 고정적으로 접촉되어 상기 반도체 웨이퍼의 가장자리 부분의 연마 프로파일을 향상시킨다. 그리고 상기 세정액 공급관은 상기 홀들 및 상기 제1 및 제2링 사이의 틈내에 세정액을 공급할 수 있도록 상기 제2 링의 복수개의 홀들 중 적어도 어느 하나에 연결된다.
상기 제2 링은 금속 재질로 이루어져 있는 것이 바람직하며, 이 경우에 상기 제2 링의 밑면에는 상기 연마 패드의 표면을 보호하기 위한 세라믹 재질의 보호막이 더 구비될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 태양에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치는, 회전 가능하도록 설치되며 연마 공정중에 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 접촉되는 연마 패드와, 상기 반도체 웨이퍼의 일면이 상기 연마 패드의 표면과 대향되도록 상기 반도체 웨이퍼를 적재하며 상하 운동 및 수직 운동이 가능하도록 설치되는 연마 헤드부 및 연마 공정중에 상기 연마 패드의 표면 상태를 유지시키기 위한 패드 컨디셔너를 구비하며, 특히 상기 패드 컨디셔너는 디스크, 디스크 홀더 및 헤드를 구비한다. 상기 디스크는 연마 공정중에 상기 연마 패드의 일부 표면에 접촉된다. 상기 디스크 홀더는 상기 디스크를 지지한다. 그리고 상기 헤드는 상기 디스크 홀더와 상기 패드 컨디셔너를 이동 가능하도록 하는 모터 샤프트를 지지하되, 내부에 세정액을 공급할 수 있도록 하는 관이 형성되어 상기 디스크 홀더 사이의 틈내에 상기 세정액을 공급할 수 있도록 되어 있다.
상기 디스크는 다이아몬드 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 관은 상기 모터 샤프트의 내부를 통해 세정액 공급부와 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제2 링 내부의 홀들 또는 패드 컨디셔너의 디스크 홀더와 헤드 사이의 틈내에 잔재한 슬러리로 인하여 마이크로 스크래치 현상이 발생하는 것을 억제시킬 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치는 연마 정반부(100), 연마 헤드부(200) 및 패드 컨디셔너(400)를 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반부(100)는 구동 모터(110)에 의해 축 A1을 따라 화살표(120) 방향으로 계속해서 회전할 수 있도록 설치된 연마 정반(130)과, 그 연마 정반(130)상에 장착된 연마 패드(140)으로 이루어진다.
상기 연마 헤드부(200)는 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼(210)를 지지하는 웨이퍼 캐리어(220)를 포함한다. 웨이퍼 캐리어(220)는 구동 모터(230)에 의해 축 A2을 따라 화살표(240) 방향으로 회전할 수 있도록 있도록 되어 있으며, 반도체 웨이퍼(210)로 화살표(250)으로 나타낸 연마 압력을 전달시킨다. 도면에 나타내지는 않았지만, 웨이퍼 캐리어(220)는 반도체 웨이퍼(210)를 예컨대 탄성 흡착법 등을 사용하여 흡착하고 연마 압력을 완충시키는 역할을 하는 백 필름(back film)과, 예컨대 세라믹으로 이루어진 백킹 플레이트(backing plate)로 이루어진다. 그리고 웨이퍼 캐리어(220)상에는 웨이퍼 캐리어(220)를 지지하고 연마 압력을 가해주기 위한 연마 하우징(260)이 장착되어 있는데, 통상적으로 연마 하우징(260)은 금속으로 이루어진다.
한편, 웨이퍼 캐리어(220)의 둘레에는 반도체 웨이퍼(210)를 가이드하기 위한 제1 링(270)이 설치되고, 그 제1 링(270)의 둘레에는 연마시에 반도체 웨이퍼(210)의 가장자리 부분의 연마 프로파일을 향상시키기 위한 제2 링(280)이 설치된다. 제1 링(270)은 연마 공정중에 웨이퍼 캐리어(220)와 함께 회전하지만, 제2 링(280)은 연마 공정중에도 회전되지 않고 고정되어 연마 패드(140)와 접촉된다. 그리고 제1 링(270)과 웨이퍼 캐리어(220) 사이 및 제1링(270)과 제2 링(280) 사이에는 일정한 간격의 틈이 형성된다. 화학액과 연마 입자로 구성된 슬러리(300)는 저장 용기(310)로부터 연마 패드(140)상에 공급된다.
상기 패드 컨디셔너(400)는 다이아몬드 디스크(410)를 지지하는 디스크 홀더(420)와, 이 디스크 홀더(420)를 지지하는 헤드(430)를 포함하여 구성된다. 디스크 홀더(420)와 헤드(430) 사이에는 일정한 간격의 틈이 형성된다. 헤드(430)의 측면은 모터 샤프트(440)와 연결되어서, 연마 공정이 이루어지지 않을 때에는 대기 장소에 있다가 연마가 이루어지면 연마 패드(140)의 일정 영역상에 위치할 수 있도록 되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 화학 기계적 폴리싱 장치를 사용하여 연마 공정을 수행하는 과정은 통상의 방법과 동일하다. 즉 연마 헤드부(200)는 연마 정반부(100)와 일정한 거리상에 떨어져 있는 로딩/언로딩부에서 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼(210)를 적재한다. 그리고 연마 패드(140)상에 일정 영역상으로 이동시킨 후에 반도체 웨이퍼(210)를 연마 패드(140)상에 접촉시킨다. 이와 별개로 패드 컨디셔너(400)도 그 대기 장소로부터 연마 패드(140)의 다른 영역상으로 이동되어 다이아몬드 디스크(410)와 연마 패드(140)를 접촉시킨다. 이와 같은 상태에서 구동 모터들(110)(230)에 의해 각각 연마 정반부(100) 및 연마 헤드부(200)를 회전시키고, 슬러리(300)를 공급하면서 반도체 웨이퍼(210)의 연마 패드(140)와의 접촉 표면을 연마시킨다.
그런데, 앞서 설명한 바와 같이, 연마 공정이 진행되는 과정에서 슬러리(300)들이 연마 패드(140)의 표면으로부터 튀어서 웨이퍼 캐리어(220)와 제1 링(270) 사이의 틈, 제1 링(270)과 제2 링(280) 사이의 틈 및 제2 링(280) 내부의 홀내에 침투되는 한편, 패트 컨디셔너(400)의 디스크 홀더(420)와 헤드(430) 사이의 틈내에도 침투된다. 이와 같이 침투된 슬러리들은 빠른 시간내에 응고되고, 응고되어 잔재된 슬러리 입자들은 후속 연마 공정중에 연마 패드(140)상에 떨어져서 마이크로 스크래치의 주 원인이 되고 있으므로 이의 제거가 원활한 연마 공정을 위해 필수적이다.
이와 같이 틈 또는 홀내에 스며들은 슬러리들을 제거하기 위하여, 본 발명에서는 슬러리들이 쉽게 스며드는 제2 링(280) 내부의 홀에 세정액 공급관을 연결시키는 한편, 패드 컨디셔너(400)의 헤드(430) 내부에도 세정액 공급관을 설치한다. 이를 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 도 1의 A 부분, 즉 제1 링(270) 및 제2 링(280)의 내부 구조를 확대하여 나타내 보인 도면이고, 도 3은 도 1의 제2 링(280)을 입체적으로 나타내 보인 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 링(280)은 원형 고리 형태로 이루어져 있다. 제2 링(280)은 통상적으로 금속성 물질로 이루어져 있으므로 그 밑면에는 연마 패드(도 1의 140)를 보호하기 위하여 예컨대 세라믹으로 이루어진 보호막(290)이 더 구비될 수 있다. 제2 링(280)의 내부에는 다수의 홀들(283)이 그 외면과 내면 사이를 완전히 관통하도록 형성되어 있고, 그 다수의 홀들(283) 중에서 적어도 하나의 홀에는 세정액 공급관(281)이 연결된다. 세정액 공급관(281)은 튜브 형태로서, 연결부(282)에 의해 홀의 입구와 완전히 밀착되어 연결된다. 이와 같이 제2 링(280) 내부의 홀들(283) 중 적어도 하나의 홀에 밀착되어 연결된 세정액 공급관(281)은, 세정 공정이 완료된 후에 연마 헤드부(도 1의 200)를 로딩/언로딩부로 이동시킨 후에 제2 링(280) 내부의 홀들(283) 안을 세정시키는데 사용된다. 즉 로딩/언로딩부에서 연마 헤드부(도 1의 200)의 외부를 세정시키는 시점에 상기 세정액 공급관(281)을 통해 세정액, 예컨대 초순수를 공급한다. 공급된 초순수는, 도 2의 화살표로 나타내 바와 같이, 제2 링(280) 내부의 홀안으로 흘러들어가는 한 편, 제1 링(270)과 제2 링(280) 사이의 틈내에도 흘러들어가서 잔재된 슬러리들을 제거시킨다. 이와 같이 연마 공정중에 제2 링(280) 내부의 홀들(283) 안과 제1 링(270) 및 제2 링(280) 사이의 틈내에 스며들은 슬러리들을 제거함으로써 다음 연마 공정중에 이 슬러리 잔재들로 인한 마이크로 스크래치를 억제시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 패드 컨디셔너(400)의 내부 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 헤드(430) 및 모터 샤프트(440)를 관통하도록 세정액 공급관(450)이 설치된다. 그 세정액 공급관(450)은 헤드(430)의 아래면을 통해 디스크 홀더(420)와 헤드(430) 사이의 틈내에 노출되도록 설치된다. 상기 세정액 공급관(450)을 이용함으로써 연마 공정중에 디스크 홀더(420)와 헤드(430) 사이의 틈으로 스며들은 슬러리들을 제거할 수 있다. 즉 연마 공정이 종료된 후에 대기 장소로 패드 컨디셔너(도 1의 400)를 이동시킨다. 이때 세정액 공급관(450)을 통해 세정액, 예컨대 초순수를 공급한다. 공급된 세정액은, 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 세정액 공급관(450)을 따라 흘러 들어가서 디스크 홀더(420)와 헤드(430) 사이의 틈내로 흘러 들어가서 그 내에 잔재한 슬러리들을 제거한다. 그러면 후속 연마 공정에서 슬러리 잔재에 의한 마이크로 스크래치 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 화학 기계적 폴리싱 장치에 의하 면, 반도체 웨이퍼를 가이드하기 위한 제1 링과 반도체 웨이퍼 가장자리 부분의 연마 프로파일을 향상시키기 위한 제2 링 사이의 틈과, 제2 링 내부의 홀들 안으로 세정액을 공급할 수 있도록 상기 제2 링 내부의 홀들 중 적어도 어느 하나의 홀에 세정액 공급관을 연결시킴으로써 상기 홀들 내부 및 틈안에 잔재한 슬러리로 인하여 마이크로 스크래치 현상이 발생되는 것을 억제시킬 수 있으며, 동시에 패드 컨디셔너의 디스크 홀더와 헤드 사이의 틈에 세정액을 공급할 수 있도록 하는 세정액 공급관을 헤드 내부를 통해 형성시킴으로써 디스크 홀더와 헤드 사이의 틈에 잔재한 슬러리로 인하여 마이크로 스크래치 현상이 발생되는 현상도 억제시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 회전 가능하도록 설치되며 연마 공정중에 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 접촉되는 연마 패드;
    연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 상기 연마 패드의 표면 방향으로 향하도록 상기 반도체 웨이퍼를 적재하는 웨이퍼 캐리어;
    상기 반도체 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 캐리어의 가장자리를 둘러싸서 연마 공정중에 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 캐리어와 함께 회전하면서 상기 반도체 웨이퍼가 이탈되는 것을 억제하는 제1 링;
    일정한 간격의 틈을 사이에 두고 상기 제1 링의 둘레를 감싸되, 바깥면과 안쪽면 사이를 관통하는 복수개의 홀들이 형성되어 있으며, 연마 공정중에 밑면이 상기 연마 패드의 일부와 고정적으로 접촉되어 상기 반도체 웨이퍼의 가장자리 부분의 연마 프로파일을 향상시키기 위한 제2 링; 및
    상기 홀들, 상기 제1, 제2링 및 상기 웨이퍼 캐리어 사이의 틈 내에 세정액을 공급할 수 있도록 상기 제2 링의 복수개의 홀들 중 적어도 어느 하나에 연결된 세정액 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 링은 금속 재질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 링의 밑면에 상기 연마 패드의 표면을 보호하기 위한 세라믹 재질의 보호막이 더 구비된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
  4. 회전 가능하도록 설치되며 연마 공정중에 연마하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면이 접촉되는 연마 패드;
    상기 반도체 웨이퍼의 일면이 상기 연마 패드의 표면과 대향되도록 상기 반도체 웨이퍼를 적재하며 상하 운동 및 수직 운동이 가능하도록 설치되는 연마 헤드부;
    연마 공정중에 상기 연마 패드의 표면 상태를 유지시키기 위한 패드 컨디셔너를 구비하는 화학 기계적 폴리싱 장치에 있어서,
    상기 패드 컨디셔너는,
    연마 공정중에 상기 연마 패드의 일부 표면에 접촉되는 디스크;
    상기 디스크를 지지하기 위한 디스크 홀더; 및
    상기 디스크 홀더와 상기 패드 컨디셔너를 이동 가능하도록 하는 모터 샤프트를 지지하되, 내부에 세정액을 공급할 수 있도록 하는 관이 형성되어 상기 디스크 홀더 사이의 틈내에 상기 세정액을 공급할 수 있도록 된 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디스크는 다이아몬드 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 관은 상기 모터 샤프트의 내부를 통해 세정액 공급부와 연결되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 폴리싱 장치.
KR1019990012639A 1999-04-10 1999-04-10 화학 기계적 폴리싱 장치 KR100546288B1 (ko)

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