KR20200056015A

KR20200056015A - Cmp 장치 및 다구역 온도 프로파일 제어 방법

Info

Publication number: KR20200056015A
Application number: KR1020180139822A
Authority: KR
Inventors: 정해도; 이다솔; 이기훈; 정선호; 이동환; 신소민
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-22

Abstract

연마 패드의 반경 방향의 온도 프로파일을 균일하게 제어할 수 있는 CMP 장치 및 다구역 온도 프로파일 제어 방법이 개시된다. CMP 장치는, 웨이퍼의 연마를 위한 연마 패드, 상면에 상기 연마 패드가 장착되고 회전 가능한 정반, 상기 연마 패드 상부에 구비되고 상기 연마 패드에 미스트 형태로 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부, 상기 정반의 회전 방향에 대해서 상기 웨이퍼의 전방 및 후방에 각각 구비되며, 상기 연마 패드에 설정되는 복수의 제어 영역에 대해서 온도를 측정하는 측정부, 및 상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

CMP 장치 및 다구역 온도 프로파일 제어 방법{CMP APPARATUS AND METHOD OF MULTI-ZONE TEMPERATURE PROFILE CONTROL}

본 발명은 웨이퍼의 CMP 장치에서 연마 패드를 다구역으로 설정하여 온도 프로파일을 연속 제어함으로써 연마 균일도를 향상시키는 CMP 장치 및 다구역 온도 프로파일 제어 방법에 관한 것이다.

집적도가 높은 반도체를 제조하기 위해서 반도체 웨이퍼 표면의 평탄도를 확보하는 것이 필수적인 과제이며, 이에 따라 화학적 기계적 평탄화 (Chemical mechanical planarization; CMP) 공정이 반도체 제조 공정 중 하나로 자리잡았다.

CMP 공정에서는 웨이퍼의 박막과 슬러리에서 발생하는 화학적 작용과 동시에 슬러리, 패드, 박막 사이에서 압력과 회전속도에 의한 상대운동으로 발생하는 물리적 작용에 의해 박막의 표면을 제거되는 공정이기 때문에, 공정 중에 마찰열이 발생한다. 이와 같이 발생하는 마찰열에 의한 온도 상승은 슬러리의 점도, pH, 입도 변화 등을 유발하고, 패드의 탄성 계수를 낮추기 때문에 연마 환경을 변화시킨다. 일반적으로 온도가 상승하면 슬러리와 웨이퍼 표면 사이의 화학적 반응성의 변화(분자의 운동에너지 증가에 의해 반응활성화 에너지 증가)를 초래하여 연마율을 상승시킨다고 알려져 있다.

그래서 연마열로 인한 재현성 문제 때문에 기존의 CMP 장치에서는 정반에 냉각수를 제공하여(칠러), 연마 패드의 온도를 제어하는 장비를 도입하여 사용하고 있다. 그러나, 이러한 냉각 장비로는 정반 및 연마 패드에 대해서 구간별로 온도를 제어하는 것을 불가능하기 때문에, 연마 패드에서 온도 분포 편차를 제어하지 못하고 있다.

한편, 연마 패드의 온도 분포는 웨이퍼가 접촉되는 부분에서 더 큰 편차가 발생하게 된다. 이와 같이 반경에 따른 온도 편차는 회전형 CMP 장치의 기구학적인 요인에서 기인하는 것으로서, 웨이퍼가 대구경화 되는 경우나, 온도 변화에 따른 연마율 변화가 큰 슬러리를 사용하는 경우나 온도 변화가 큰 금속계열 특히 텅스텐 박막 재료를 이용하는 경우에는 연마율에 악영향을 줄 수 있다. 즉, 공정 중 패드의 연마온도 프로파일에 따라 웨이퍼 전면의 연마결과가 구간마다 달라질 수 있다. 또한, 공정 전의 초기 패드 온도에 따라 웨이퍼들에 대한 연마결과가 달라질 수 있다.

전술한 배경기술로서 설명된 내용은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 인정하는 것이라고 할 수는 없다.

실시 예의 목적은, 연마 균일도를 향상시킬 수 있는 CMP 장치 및 CMP 장치에서의 온도 제어 방법을 제공하는 것이다.

실시 예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예들에 따르면, CMP 장치는, 웨이퍼의 연마를 위한 연마 패드, 상면에 상기 연마 패드가 장착되고 회전 가능한 정반, 상기 연마 패드 상부에 구비되고 상기 연마 패드에 미스트 형태로 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부, 상기 정반의 회전 방향에 대해서 상기 웨이퍼의 전방 및 후방에 각각 구비되며, 상기 연마 패드에 설정되는 복수의 제어 영역에 대해서 온도를 측정하는 측정부, 및 상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

일 측에 따르면, 상기 슬러리 제공부는 슬러리를 미스트 형태로 분사하는 미스트 노즐인 복수의 분사부를 구비한다. 상기 분사부는 슬러리와 가스를 혼합하여 동시에 분사할 수 있다. 상기 가스는 산소 또는 비활성 가스를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드의 직경 방향을 따르는 직선 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 분사부는 상기 정반의 회전 방향에 대해서 교차하는 곡선 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 분사부는 등간격 또는 서로 다른 간격으로 배치될 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 제어부는 상기 복수의 분사부에서 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어할 수 있다. 또는, 상기 제어부는 상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리의 분사량을 제어할 수 있다. 또는, 상기 제어부는 각 분사부에서 제공되는 슬러리 온도를 제어할 수 있다. 또는, 상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드로부터의 높이가 조절 가능하게 구비되고, 상기 제어부는 상기 복수의 분사부의 높이를 제어할 수 있다. 또는, 상기 복수의 분사부 사이의 간격 조절이 가능하게 구비되고, 상기 제어부는 상기 복수의 분사부 사이의 간격을 제어할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예들에 따르면, CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법은, 더미 웨이퍼에 대해서 튜닝 제어 공정을 실시하는 단계, 및 상기 튜닝 제어 공정에서 산출된 제어값을 이용하여 대상 웨이퍼에 대해서 본 공정을 실시하는 단계를 포함하고, 상기 본 공정에서는 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어함으로써 연마 패드의 온도 프로파일을 제어한다.

일 측에 따르면, 상기 슬러리 제공부는 슬러리와 가스를 혼합하여 미스트 형태로 연마 패드에 제공하는 복수의 분사부를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 튜닝 제어 공정은, 상기 연마 패드에 설정된 복수의 제어 영역의 온도를, 상기 연마 패드의 회전 방향에 대해서 웨이퍼의 전방에서 측정하는 1차 측정 단계, 상기 1차 측정된 온도에 의해서 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계, 상기 복수의 제어 영역에 대해서, 웨이퍼의 후방에서 온도를 측정하는 2차 측정 단계, 상기 1차 측정 온도와 2차 측정 온도의 차이를 이용하여 제어값을 수정하는 단계, 및 상기 2차 측정 온도가 균일하면 본 공정에 적용되는 제어값을 확정하는 단계를 포함한다.

일 측에 따르면, 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는, 상기 복수의 분사부에서 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어하되, 각 분사부에 제공되는 슬러리의 분사량은 일정하게 유지할 수 있다. 또는, 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는, 상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리 분사량을 제어 할 수 있다. 또는, 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는, 상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리 온도를 제어할 수 있다. 또는, 상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드로부터의 높이가 조절 가능하게 구비되고, 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는, 상기 복수의 분사부의 높이를 제어할 수 있다. 또는, 상기 복수의 분사부 사이의 간격 조절이 가능하게 구비되고, 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는, 상기 복수의 분사부 사이의 간격을 제어할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 본 공정에서는, 상기 튜닝 공정에서 확정된 제어값을 이용하여 상기 대상 웨이퍼에 본 공정을 수행하는 단계, 상기 연마 패드의 회전 방향에 대해서 웨이퍼의 전방 및 후방에서 온도를 각각 측정하는 단계, 상기 전방 및 후방에서 측정된 온도 차이를 이용하여 기체량 제어값을 수정하는 단계, 및 상기 후방에서 측정된 온도가 균일하면 종료하는 단계를 포함하여 구성된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 실시 예에 따르면, 연마 패드를 다구역으로 설정하고 각각의 구역에서 측정된 온도를 이용하여 슬러리 제공부를 제어하여 온도 프로파일을 연속적으로 제어하고, 연마 패드의 반경 방향으로의 온도 프로파일이 일정하도록 유지할 수 있다.

또한, 슬러리에 혼합되는 기체량의 조절을 통해 연마 패드의 온도 프로파일을 제어하는 것으로, 슬러리의 온도를 변화시키지 않으므로, 슬러리의 화학적 물리적 특성을 일정하게 유지시킬 수 있다.

일 실시 예에 따른 CMP 장치 및 다구역 온도 프로파일 제어 방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시 예에 따른 CMP 장치의 모식도이다.
도 2는 도 1의 CMP 장치의 평면도이다.
도 3은 도 2의 CMP 장치에서 슬러리 제공부의 변형 예를 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 1의 CMP 장치에서 연마 패드의 온도 분포를 보여주는 도면이다.
도 5와 도 6은 일 실시 예에 따른 온도 프로파일 제어 방법을 설명하기 위한 블록도들이다.

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.

이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 CMP 장치(10)에 대해서 설명한다.

참고적으로, 도 1은 CMP 장치(10)의 모식도이고, 도 2는 도 1의 CMP 장치(10)의 평면도이고, 도 3은 도 2의 CMP 장치(10)에서 슬러리 제공부(13)의 변형 예를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 4는 도 1의 CMP 장치(10)에서 연마 패드(12)의 온도 분포를 보여주는 평면도이다.

도면을 참조하면, CMP 장치(10)는, 웨이퍼(1)의 연마를 위한 연마 패드(12), 연마 패드(12)가 장착되어서 회전하는 정반(11), 연마 패드(12)에 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부(13), 연마 패드(12)의 온도를 측정하는 측정부(14) 및 슬러리 제공부(13)의 동작을 제어하는 제어부(15)를 포함하여 구성된다.

웨이퍼(1)는 반도체 장치(semiconductor device) 제조용 실리콘 기판(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 웨이퍼(1)가 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치(flat panel display device, FPD)용 글라스를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 도면에서는 웨이퍼(1)가 원형인 것으로 도시하였으나, 이는 일 예시에 불과하며, 웨이퍼(1)의 형상 및 크기 등이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.

정반(11)은 연마 패드(12)가 장착되는 상면이 평편하게 형성되고, 그 중심을 회전 축으로 하여 소정 속도로 자전한다. 예를 들어, 정반(11)은 웨이퍼(1)보다 큰 크기를 갖는 원반형으로 형성된다. 다만, 이는 일 예에 불과한 것으로, 정반(11)의 형상은 도면에 의해 한정되지 않는다.

연마 패드(12)는 정반(11)의 평편한 상면에 장착되며, 일 예로, 부직포 등을 포함하는 폴리우레탄 재질로 형성된다. 다만 이는 일 예시에 불과한 것으로, 연마 패드(12)의 재질이 폴리우레탄으로만 한정되는 것은 아니다.

한편, 연마 패드(12)는 도 4에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(1)의 연마가 이루어지는 부분에서 연마 패드(12)의 직경 방향을 따라 서로 다른 온도 분포를 나타낸다. 또한, 웨이퍼(1)와 접촉 면적이 넓은 영역(R2)이 주변의 다른 영역들(R1, R3)에 비해 높은 온도를 갖는다고 예상되지만, 실제 측정된 온도 프로파일은 다르다. 도 4에서 영역 R1에서가 가장 온도가 높고, 영역 R2, R3로 갈수록 온도가 떨어진다. 이는 영역 R2가 웨이퍼(1)와의 접촉거리가 영역 R1보다 길지만, 영역 R1가 영역 R2보다 비접촉거리가 훨씬 짧기 때문이다. 그리고 영역 R3은 접촉거리가 짧고, 비접촉거리가 가장 길기 때문에 연마 패드(12)가 냉각될 수 있는 시간이 충분하기 때문에 온도가 가장 낮게 측정되는 것이다.

이에, 연마 패드(12)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 연마 패드(12)에서 웨이퍼(1)와 접촉되는 부분을 복수의 영역으로 분할하여 설정한다. 예를 들어, 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)은 동일한 간격으로 분할된 동심원 형상으로 설정될 수 있다. 또한, 도면에서는 연마 패드(12)의 중심 일부 면적과 가장자리의 일부 면적을 제외한 부분에, 5개의 동심원 형상의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)을 설정한 것으로 예시하였으나, 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 수와 크기는 도면에 의해 한정되지 않으며, 실질적으로 다양하게 설정될 수 있다.

웨이퍼(1)는 연마 패드(12)에 접촉된 상태에서 웨이퍼(1)의 중심을 회전 축으로 하여 자전한다. 그리고, 웨이퍼(1)는 연마 패드(12) 대해서 소정 압력으로 가압 접촉되므로, 웨이퍼(1)의 자전 및 정반(11)의 회전에 의해 웨이퍼(1)와 연마 패드(12) 사이에서 연마가 수행된다.

한편, 도면에서는 웨이퍼(1)만을 도시하고 있으나, 웨이퍼(1)의 상측에 웨이퍼(1)를 파지하고 연마 패드(12)에 대해서 가압하는 캐리어 헤드(미도시)가 구비될 수 있다. 캐리어 헤드(미도시)의 상세 구조에 대해서는 설명을 생략한다.

컨디셔너(16)는 연마 패드(12) 상에 일측에 구비되며, 웨이퍼(1)와 간섭되지 않는 위치에 구비된다. 컨디셔너(16)는 연마 패드(12) 표면을 미세 절삭함으로써 연마 패드(12) 표면의 미세 다공들에 채워져 있던 슬러리를 제거함으로써 미세 다공이 다시 개방되도록 하여, 연마 패드(12)의 품질을 유지한다.

슬러리 제공부(13)는 연마 패드(12) 상부에 구비되고, 연마 패드(12)에 슬러리를 제공하는 복수의 분사부(131)를 포함한다.

분사부(131)는 연마 패드(12)에 슬러리를 액적 형태가 아닌 미스트 형태로 분사할 수 있는 미스트 노즐이 사용될 수 있다. 또한, 분사부(131)는 슬러리와 기체를 혼합하여 분사한다. 분사부(131)에서 혼합되는 기체로는 산소 또는 비활성 가스를 이용할 수 있다. 산소를 이용하는 경우에는 슬러리의 화학적 활성도를 높일 수 있다. 비활성 가스를 이용하는 경우에는 화학적 반응이 발생하지 않으므로 안전성 측면에서 효과적이다.

또한, 슬러리 제공부(13)는 복수의 분사부(131)에서 서로 다른 동일한 유량 또는 유량으로 슬러리를 분사할 수 있다. 복수의 분사부(131)에서 분사되는 슬러리의 유량은 후술하는 제어부(15)에 의해서 조절된다.

일 예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 분사부(131)는 연마 패드(12)의 직경 방향을 따라서 배열된다.

또는, 도 3에 도시한 바와 같이,복수의 분사부(231)가 연마 패드(12)의 회전 방향에 대해서 교차하는 곡선 상에 배치될 수 있다. 도 3에 예시한 실시 예는 슬러리 제공부(23)의 형상을 제외하고는 실질적으로 동일하므로, 도 3에 대한 설명은 생략한다.

본 실시 예들에 따르면, 슬러리 제공부(13)에서 제공되는 슬러리의 온도가 아닌 슬러리에 혼합되는 기체량을 조절하여 연마 패드(12)의 온도를 제어하게 된다. 이로 인해, 슬러리 자체의 온도는 변화되지 않기 때문에, 연마입자, pH 등의 물리적 화학적 특성이 변화되지 않고 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 슬러리 제공부(13)는 분사부(131)에서 혼합 제공되는 기체의 양에 의해 슬러리의 미립화 정도를 조절할 수 있기 때문에, 슬러리의 증발량을 촉진시켜서 연마 패드(12)의 온도를 보다 신속하고 효율적으로 제어할 수 있다.

측정부(14)는 연마 패드(12) 상부에 구비되며, 연마 패드(12) 표면의 온도를 측정하도록 구비된다. 또한, 측정부(14)는 연마 패드(12)에 대해서 비접촉 방식으로 온도를 측정하는 수단, 예를 들어, 비접촉식 적외선 센서 등이 사용될 수 있다. 또한, 측정부(14)는 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 각각에 대해서 온도를 측정하도록 복수의 센서(d1, d2, d3, d4, d5)를 포함한다. 예를 들어, 복수의 센서(d1, d2, d3, d4, d5)는 연마 패드(12)의 직경 방향을 따라 배치되며, 복수의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)과 일대일 대응되도록 배치된다.

여기서, 정반(11)이 회전하면서 웨이퍼(1)를 연마하기 때문에, 정반(11)의 회전 방향을 따라서 웨이퍼(1)의 전방과 후방에서의 온도 분포가 서로 다르다. 이에, 측정부(14)는 정반(11)의 회전 방향에 대해서 웨이퍼(1)의 전방과 후방에 각각 구비된다. 이하에서는 전방에 구비된 것을 제1 측정부(141), 후방에 구비된 것을 제2 측정부(142)로 구분한다. 다만, 제1 및 제2 측정부(141, 142)는 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.

제1 측정부(141)에서 측정된 결과로는 공정에 영향을 미치는 연마 패드(12)의 온도 분포를 알 수 있다. 그리고 제2 측정부(142)에서 측정된 결과로는 공정 결과를 알 수 있으므로, 제2 측정부(142)에서 측정된 결과를 이용하여 슬러리에 혼합되는 기체량을 조절하기 위한 피드백 제어를 할 수 있다.

제어부(15)는 제1 측정부(141)와 제2 측정부(142)에서 측정된 결과를 이용하여 슬러리 제공부(13)의 동작을 제어한다.

제어부(15)는 복수의 분사부(131)에서 혼합되는 기체량을 조절함으로써 온도를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(15)는 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5) 중 온도가 높은 위치에 대응되는 분사부(131)에서 제공되는 슬러리에 혼합되는 기체량을 증가시킬 수 있다. 여기서, 제어부(15)는 각 분사부(131)에서 제공되는 슬러리의 유량은 동일하게 유지하고 혼합되는 기체량만을 조절할 수 있다. 슬러리에 혼합되는 기체량을 증가시키면 슬러리가 보다 미립화되면서 증발율이 높아지기 때문에, 혼합되는 기체량에 비례하여 연마 패드(12)의 온도가 낮아지게 된다.

일 예로, 8인치의 구리 기판에 대해서, 슬러리의 총 유량은 300ml/min 이고, 분사부를 4개 배치하였을 때, 기체를 혼합하지 않은 기존 슬러리를 제공하는 경우, 공정시간 60초 동안 상온(20℃)에서 48℃로 급격히 상승하는 것이 아니라, 10초 단위로 5℃씩 상승하였다. 그리고 슬러리에 기체량을 0.05MPa 로 혼합하여 사용하면, 기체를 혼합하지 않았을 때의 연마 온도보다 13~15℃의 온도가 저하되고 온도 편차도 7~9℃에서 2~3℃로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 상술한 실시 예 이외에도, 제어부(15)는 슬러리의 유량 또는, 슬러리 제공부(13)의 높이(즉, 분사부(131)와 연마 패드(12) 사이의 거리)를 조절할 수 있다.

일 예로, 제어부(15)는 복수의 분사부(131)에서 제공되는 슬러리의 유량을 서로 다르게 조절함으로써 온도를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(15)는 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5) 중 온도가 높은 위치에 대응되는 분사부(131)에서 제공되는 슬러리 유량을 증가시킬 수 있다. 슬러리의 유량에 비례하여 연마 패드(12)의 온도가 낮아지게 된다.

또는, 슬러리 제공부(13)는 복수의 분사부(131)의 높이를 조절 가능하게 구비되고, 제어부(15)는 분사부(131)의 높이를 조절할 수 있다. 또는, 제어부(15)는 슬러리 제공부(13) 전체의 높이를 조절할 수도 있다.

또는, 다른 예로서, 제어부(15)는 슬러리 제공부(13)에서 각 분사부(131) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

일 예로, 슬러리 제공부(13)는 복수의 분사부(131) 사이의 간격을 조절 가능하게 구비되고, 제어부(15)는 분사부(131) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 연마 패드(12)에서 웨이퍼(1)와 접촉되는 부분을 복수의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)으로 설정하고, 각 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)에서 웨이퍼(1)의 전방 및 후방에서 각각 측정된 온도차이를 이용하여 슬러리 제공부(13)에서의 슬러리 양을 제어함으로써, 연마 패드(12)의 온도 프로파일을 제어할 수 있다. 또한, 연마 패드(12)의 반경 방향을 따라서 온도 프로파일이 일정하게 유지될 수 있다.

한편, 정반(11)에서 연마 패드(12)로 복사와 전도에 의한 냉각 효과는 슬러리에 의한 냉각 효과에 비해 각각 10-3, 10-1배 정도의 차이가 있다. 즉, 정반(11)을 통해서 연마 패드(12)를 냉각시키는 것에 비해, 슬러리를 제공하여 연마 패드(12)를 냉각시키고 온도를 조절하는 것이 효과적이다. 또한, 대류에 의한 냉각 효과는 일반적으로 온도차와 유량에 비례하므로, 제공되는 슬러리의 유량을 증가시킴에 따라 대류에 의한 온도 변화는 연마 패드(12)의 표면 온도가 슬러리의 온도와 유사하게 되는 경우에, 유량의 한계점이 될 것으로 예상할 수 있다.

이하에서는, 도 5와 도 6을 참조하여 본 실시 예들에 따른 CMP 장치(10)에서 온도 프로파일 제어 방법에 대해서 설명한다.

우선, 도 5를 참조하여 튜닝 제어 공정에 대해서 설명한다. 튜닝 제어 공정은 본 공정을 시행하기 전에 더미 웨이퍼에 대해서 수행된다.

먼저, 제1 측정부(141)에서 연마 패드(12)의 온도를 측정한다(S11, 1차 측정 단계).

여기서, 연마 패드(12)에 복수의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)을 설정한다. 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)은 연마 패드(12)에서 웨이퍼(1)와 접촉되는 부분이 복수의 영역(이하, 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)이라 함)으로 설정되고, 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)은 동일한 간격의 동심원 형상으로 설정될 수 있다.

그리고, 제1 측정부(141)에서 설정된 복수의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 각각에 대해서 온도를 측정한다.

또한, 연마 패드(12)의 온도를 측정하기 위한 측정부(14)는, 정반(11)의 회전 방향을 따라서 웨이퍼(1)의 전방과 후방에 구비되는데, 본 온도 감지 단계(S11)에서는, 웨이퍼(1)의 전방에 구비되는 제1 측정부(141)에서 연마 패드(12)의 각 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)에 대해서 측정된 결과를 제어부(15)로 전달한다. 또한, 웨이퍼(1)의 후방에 구비되는 제2 측정부(142)에서 측정된 연마 패드(12)의 각 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)에 대한 결과 역시 제어부(15)로 전달한다.

다음으로, 제어부(15)는 1차 측정된 온도를 이용하여 슬러리 제공부(13)의 동작을 제어하여 연마 패드(12)의 온도 프로파일을 제어한다(S12, S13, S14, S15, S16).

여기서, 제어부(15)에서는 온도 프로파일을 제어하기 위해서 슬러리 제공부(13)에 대해서 다양한 제어를 수행할 수 있다.

일 예로, 제어부(15)는 연마 패드(12)의 온도 프로파일을 균일하게 제어하기 위해서, 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어하게 된다(S12).

이 경우, 제어부(15)는 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5) 중 온도가 높은 위치에 대응되는 분사부(131)에서 제공되는 슬러리에 혼합되는 기체량을 증가시킴으로써, 연마 패드(12)의 온도를 조절할 수 있다. 이 경우, 분사부(131)에서 제공되는 슬러리의 유량은 일정하게 유지시킨 상태로 슬러리에 혼합되는 기체량만을 조절하게 된다.

또는, 제어부(15)는 복수의 분사부(131)에서 제공되는 슬러리의 유량을 제어함으로써 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 온도를 조절할 수 있다(S13).

또는, 제어부(15)는 복수의 분사부(131)에서 제공되는 슬러리의 온도를 제어함으로써 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 온도를 조절할 수 있다(S14). 여기서, 각 분사부(131) 별로 제공되는 슬러리의 온도를 제어할 수 있다.

또는, 제어부(15)는 복수의 분사부(131)의 높이를 제어함으로써 연마 패드(12)의 온도를 조절할 수 있다(S15). 여기서, 복수의 분사부(131) 전체의 높이를 제어하거나, 각 분사부(131) 별로 높이를 제어할 수 있다.

또는, 제어부(15)는 슬러리 제공부(13)에서 각 분사부(131) 사이의 간격을 제어함으로써 연마 패드(12)의 온도를 조절할 수 있다(S16).

다음으로, 제1 측정부(141)와 제2 측정부(142)에서 측정된 온도를 비교하여 온도 차를 검출한다(S17).

제1 측정부(141)와 제2 측정부(142)에서 측정된 온도 차이는 공정에서 발생되는 온도 저하값이 된다.

다음으로, 제2 측정부(142)에서 2차 측정된 온도를 이용하여 웨이퍼(1)가 접촉되는 접촉 영역(R1, R2, R3)의 온도 균일도를 확인한다(S18)

여기서, 2차 측정 온도가 균일하지 않다면, 제어값을 수정하고(S19), 상술한 연마 패드(12)의 온도 프로파일 제어 공정(S12, S13, S14, S15, S16)을 재실시하게 된다.

그리고 2차 측정 온도가 균일하다면 본 공정에 대한 제어값을 확인하고(S20), 튜닝 제어 공정이 종료된다. 즉, 2차 측정 온도가 균일하게 될 때까지 온도 프로파일 제어 공정을 수행함으로써 후술하는 본 공정에 적용하기 위한 제어값을 얻을 수 있다.

다음으로, 튜닝 제어 공정이 완료된 후, 튜닝 제어 공정에서 산출된 제어값을 이용하여 본 공정을 실시하게 된다. 이하에서는 도 6을 참조하여 본 공정에 따른 제어 공정을 설명한다.

우선, 튜닝 제어 공정에서 확인된 제어값을 이용하여 본 공정(즉, 웨이퍼(1)에 대한 CMP 연마 공정)을 수행한 후(S21), 연마 패드(12)에서 제2 측정부(142)에서 온도를 측정한다(S22).

제2 측정부(142)에서 온도를 측정하는 단계는, 상술한 튜닝 제어 공정에서와 유사하게, 웨이퍼(1)의 후방에서 연마 패드(12)에 설정된 복수의 제어 영역(S1, S2, S3, S4, S5)의 각각에 대해서 온도를 측정한다.

그리고, 제2 측정부(142)에서 측정된 온도가 균일하지 않다면, 제1 측정부(141)와 제2 측정부(142)에서 측정된 온도 차이를 검출한 후(S23), 기체량 제어값을 수정한다(S24).그리고, 제2 측정부(142)에서 측정된 온도가 균일하다면 공정을 종료한다. 즉, 제2 측정부(142)에서 측정된 온도가 균일할 때까지 기체량 제어값을 변화시키면서 본 공정이 수행된다. 즉, 본 공정에서는 복수의 분사부(131)에서 슬러리에 혼합되는 기체량만을 조절함으로써 연마 패드(12)의 온도 프로파일을 일정하게 유지시킬 수 있다.

연마하고자 하는 막질에 따라 CMP 장치(10)에서의 소모품(연마 패드(12), 슬러리 등)이 매우 다르다. 또한, 연마 패드(12)의 기공이나 그루브, 슬러리의 점도가 다르기 때문에 동일한 기체량을 주입한다 하더라도, 연마 패드(12)의 온도 감소량이 다르게 측정된다. 또한, 막질에 따라 마찰열도 달라지기 때문에 공정 시간 동안 상승하는 온도도 다를 뿐만 아니라, 압력, 속도 등 공정 조건이 상이한 경우가 있다.

본 실시 예에서는 본 공정 전에, 공정의 안정화를 위해서 더미 웨이퍼를 이용하여 튜닝 제어 공정을 수행하게 된다. 그리고 이와 같이 튜닝 제어 공정을 통해서 산출된 박막, 소모품, 공정 조건에 따른 온도에 따른 제어값 데이터를 수집함으로써 본 공정의 자동화 제어에 활용할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 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.

그러므로, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 웨이퍼
10: CMP 장치
11: 정반
12: 연마 패드
13: 슬러리 제공부
131: 분사부
14, 141, 142: 측정부
15: 제어부
16: 컨디셔너
d1, d2, d3, d4, d5: 센서
S1, S2, S3, S4, S5: 제어 영역
R1, R2, R3: 온도 분포의 영역

Claims

웨이퍼의 연마를 위한 연마 패드;
상면에 상기 연마 패드가 장착되고 회전 가능한 정반;
상기 연마 패드 상부에 구비되고 상기 연마 패드에 미스트 형태로 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부;
상기 정반의 회전 방향에 대해서 상기 웨이퍼의 전방 및 후방에 각각 구비되며, 상기 연마 패드에 설정되는 복수의 제어 영역에 대해서 온도를 측정하는 측정부; 및
상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 제어부;
를 포함하는 CMP 장치.
제1항에 있어서,
상기 슬러리 제공부는 슬러리를 미스트 형태로 분사하는 미스트 노즐인 복수의 분사부를 구비하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 분사부는 슬러리와 가스를 혼합하여 동시에 분사하는 CMP 장치.
제3항에 있어서,
상기 가스는 산소 또는 비활성 가스를 포함하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드의 직경 방향을 따르는 직선 상에 배치되는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 분사부는 상기 정반의 회전 방향에 대해서 교차하는 곡선 상에 배치되는 CMP 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 복수의 분사부는 등간격 또는 서로 다른 간격으로 배치되는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수의 분사부에서 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리의 분사량을 제어하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 각 분사부에서 제공되는 슬러리 온도를 제어하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드로부터의 높이가 조절 가능하게 구비되고,
상기 제어부는 상기 복수의 분사부의 높이를 제어하는 CMP 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 분사부 사이의 간격 조절이 가능하게 구비되고,
상기 제어부는 상기 복수의 분사부 사이의 간격을 제어하는 CMP 장치.
더미 웨이퍼에 대해서 튜닝 제어 공정을 실시하는 단계; 및
상기 튜닝 제어 공정에서 산출된 제어값을 이용하여 대상 웨이퍼에 대해서 본 공정을 실시하는 단계;
를 포함하고,
상기 본 공정에서는 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어함으로써 연마 패드의 온도 프로파일을 제어하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 슬러리 제공부는 슬러리와 가스를 혼합하여 미스트 형태로 연마 패드에 제공하는 복수의 분사부를 포함하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제14항에 있어서,
상기 튜닝 제어 공정은,
상기 연마 패드에 설정된 복수의 제어 영역의 온도를, 상기 연마 패드의 회전 방향에 대해서 웨이퍼의 전방에서 측정하는 1차 측정 단계;
상기 1차 측정된 온도에 의해서 상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계;
상기 복수의 제어 영역에 대해서, 웨이퍼의 후방에서 온도를 측정하는 2차 측정 단계;
상기 1차 측정 온도와 2차 측정 온도의 차이를 이용하여 제어값을 수정하는 단계; 및
상기 2차 측정 온도가 균일하면 본 공정에 적용되는 제어값을 확정하는 단계;
를 포함하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는,
상기 복수의 분사부에서 슬러리에 혼합되는 기체량을 제어하되, 각 분사부에 제공되는 슬러리의 분사량은 일정하게 유지하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는,
상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리 분사량을 제어하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는,
상기 복수의 분사부에서 제공되는 슬러리 온도를 제어하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 복수의 분사부는 상기 연마 패드로부터의 높이가 조절 가능하게 구비되고,
상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는,
상기 복수의 분사부의 높이를 제어하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 복수의 분사부 사이의 간격 조절이 가능하게 구비되고,
상기 슬러리 제공부의 동작을 제어하는 단계에서는,
상기 복수의 분사부 사이의 간격을 제어하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 본 공정에서는,
상기 튜닝 공정에서 확정된 제어값을 이용하여 상기 대상 웨이퍼에 본 공정을 수행하는 단계;
상기 연마 패드의 회전 방향에 대해서 웨이퍼의 전방 및 후방에서 온도를 각각 측정하는 단계;
상기 전방 및 후방에서 측정된 온도 차이를 이용하여 기체량 제어값을 수정하는 단계; 및
상기 후방에서 측정된 온도가 균일하면 종료하는 단계;
를 포함하는 CMP 장치의 다구역 온도 프로파일 제어 방법.