KR20100001560A - 화학적 기계적 연마 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 화학적 기계적 연마설비를 개시한다. 그의 설비는, 플래튼 상부를 둘러싸고 웨이퍼와 접촉되면서 연마되는 연마 패드의 매트릭스 내에 미립자 볼을 랜덤하게 형성하여 상기 웨이퍼와 접촉되는 표면적을 일정하게 함으로서 스크래치를 방지토록 할 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다.

웨이퍼(wafer), 미립자, 연마(polishing), 볼(ball), 스크래치(scratch)

Description

화학적 기계적 연마 설비{Equipment for chemical mechanical polishing}

본 발명은 반도체 제조설비에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼를 평탄화하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing ; CMP)설비에 관한 것이다.

일반적으로 정보 통신 분야의 급속한 발달과, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 대중화에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 또한, 그 기능적인 면에 있어서 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구되고 있다. 이에 따라, 상기 반도체 소자의 제조 기술은 집적도, 신뢰도 및, 응답 속도 등을 극대화하는 방향으로 연구 개발되고 있다. 반도체 소자의 제조 기술은 크게 웨이퍼 상에 가공막을 형성하는 증착(deposition)공정과, 상기 증착공정으로 형성된 가공막 상에 피가공막을 형성하여 패터닝 하는 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 이루어진다.

그러나, 최근 반도체 소자의 제조 기술은 반도체 디바이스(Device)의 고밀도화, 미세화 및 배선구조의 다층화에 따라 반도체 디바이스의 표면 단차가 점차 증 가되고 있으며, 표면 단차를 극복하면서 평탄면을 얻고자하는 평탄화 기술이 더욱 요구되는 실정이다. 이에 따라 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하기 위해 여러가지 설비들이 개발되고 있으며, 특히, 화학적 연마와 기계적 연마를 한꺼번에 수행하여 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하는 화학적 기계적 연마설비가 널리 사용되고 있다.

이와 같은 일반적인 화학적 기계적 연마설비는 하우징 또는 케이스와 같은 밀폐된 공간에서 웨이퍼를 홀딩(Holding)하는 연마 헤드 조립체의 밑면에 쿠션필름을 장착하고, 상기 쿠션필름의 밑면에 웨이퍼의 일면이 접촉되도록 웨이퍼를 흡착한 다음, 상기 웨이퍼를 연마 스테이션 위에 소정 압력으로 접촉시키면서 슬러리를 상기 웨이퍼와 연마 스테이션의 플래튼 사이에 공급하여 웨이퍼를 연마한다. 이때, 상기 플래튼의 상부에는 상기 웨이퍼가 접촉되는 면에서 평탄면을 갖고 연마될 수 있도록 연마 패드가 형성되어 있다.

여기서, 상기 연마 패드는 상기 웨이퍼의 표면과 소정의 마찰력을 갖고 슬라이딩되면서 마모됨으로서 상기 웨이퍼의 표면을 평탄하게 만들 수 있다. 또한, 상기 연마 패드의 상부 일측에는 상기 연마 패드의 평탄도를 감지하는 패드 컨디셔너가 형성되어 있다.

따라서, 각각 회전되는 연마 헤드 조립체와, 연마 스태이션의 플래튼은 상기 웨이퍼를 사이에 두고 각각 회전하게 되며, 상기 웨이퍼 또는 플래튼의 상부 상기 연마 패드에 공급되는 슬러리에 의해 상기 웨이퍼가 화학적으로 연마되고, 동시에 상기 웨이퍼의 표면과 상기 연마 패드의 상호 접촉에 의해 기계적으로 연마되도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 연마 패드는 기포성 다공이 랜덤하게 형성된 폴리우레탄 매트릭스로 이루어진다.

그러나, 패드 표면에서 노출되는 다공이 많으면 웨이퍼와 연마패드의 콘택 비율이 줄어들고, 콘택 비율이 줄어듦에 따라 상기 연마패드와 웨이퍼간에 압축력이 강해져 스크레치를 유발시키기 때문에 생산수율이 떨어지는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 웨이퍼와 패드간의 콘택 비율이 줄어들지 않도록 하고 스크래치 유발을 방지토록 하여 생산수율을 증가 또는 극대화할 수 있는 화학적 기계적 연마설비를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양태에 따른 화학적 기계적 연마설비는, 웨이퍼의 상부를 흡착하여 회전시키는 연마 헤드; 상기 연마 헤드에 대향되는 상기 웨이퍼의 하부에서 회전되는 플래튼; 상기 플래튼의 상부에서 회전되는 상기 웨이퍼 또는 상기 플래튼의 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부; 및 상기 플래튼의 상부를 둘러싸고 상기 웨이퍼와 접촉되면서 연마되는 매트릭스 내에서 상기 웨이퍼와 접촉되는 표면적을 일정하게 유지토록 하는 미립자 볼이 랜덤하게 형성된 연마 패드를 포함함을 특징으로 한다.

여기서, 상기 미립자 볼은 상기 매트릭스보다 연마 강도가 높은 폴리우레탄 을 포함함이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 폴리우레탄 매트릭스 내에 미립자 볼을 형성하여 웨이퍼와 연마 패드간에 콘택 비율이 줄어들지 않도록 하고, 스크래치 유발을 방지하기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마설비를 개략적으로 나타낸 평면도로서, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마설비(100)는 팩토리 인터페이스(factory interface, 102)와, 적재 로봇(loading robot, 104) 및 연마모듈(polishing module, 106)을 포함하여 이루어진다. 도시되지는 않았지만, 상기 적재 로봇(104)과, 연마 모듈(106) 및 팩토리 인터페이스(102)에 연결되어 연마, 정화 및 이송공정을 제어하는 제어부를 더 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 팩토리 인터페이스(102)는 일반적으로 정화 모듈(116) 및 하나 이상의 웨이퍼 카세트(118)를 포함하고 있다. 인터페이스 로봇(120)은 웨이퍼 카세 트(118), 정화 모듈(116), 및 입력 모듈(124) 사이로 웨이퍼(122)를 이송하기 위해 적용된다. 입력 모듈(124)은 적재 로봇(104)에 의해 연마 모듈(106)과 팩토리 인터페이스(102) 사이로 웨이퍼(122)의 이송이 용이하도록 위치되어 있다.

예컨대, 연마 모듈(106)로부터 복귀된 후 연마되는 웨이퍼(122)가 적재 로봇(104)에 의해 입력 모듈(124) 내에 배치되는 동안, 인터페이스 로봇(120)에 의해 카세트(118)로부터 회수된 연마되지 않은 웨이퍼(122)는 웨이퍼(122)가 적재 로봇(104)에 의해 접근될 수도 있는 입력 모듈(124)로 이송될 수도 있다.

이때, 팩토리 인터페이스 로봇(120)이 정화된 웨이퍼(122)를 카셋트(118)로 복귀시키기 전에, 연마된 웨이퍼(122)는 일반적으로 입력 모듈(124)로부터 정화 모듈(116)을 통해 이송된다.

또한, 상기 적재 로봇(104)은 웨이퍼(122)의 이송을 용이하게 하기 위해 팩토리 인터페이스(102)와 연마 모듈(106)에 인접하게 설치되어 있다.

그리고, 상기 연마모듈(106)은 연마 패드, 연마 웹, 또는 이들의 조합물을 사용한 다른 연마 모듈(106)이 유리하게 사용될 수도 있다. 여기서 상기 연마모듈(106)은 연마면에 대해 웨이퍼를 평면 내에서 회전식, 선형식, 또는 다른 형태로 이동시키는 시스템을 포함한다. 예컨대, 일반적인 상기 연마 모듈(106)은 이송 스테이션(136), 다수의 연마 스테이션(132), 및 테이블(또는 머신 베이스, 140)의 상부 또는 제 1측부(138) 상에 배치된 캐로슬(134)을 구비하고 있다. 여기서, 이송 스테이션(136)은 적어도 입력 버퍼 스테이션(142), 출력 버퍼 스테이션(144), 이송 로봇(146), 및 적재 컵 조립체(148)를 포함하고 있다. 이때, 상기 적재 로봇(104) 은 입력 버퍼 스테이션(142) 상에 웨이퍼(122)를 위치시킨다. 또한, 상기 이송 로봇(146)은 두 개의 그리퍼 조립체를 갖추고 있는데, 이들 각각은 웨이퍼의 에지부를 파지하는 공기식 그리퍼 핑거를 갖추고 있다. 웨이퍼(122)를 적재 컵 조립체(148) 위로 위치시키기 위해, 이송 로봇(146)은 입력 버퍼 스테이션(142)으로부터 웨이퍼(122)를 상승시키고, 그리퍼와 웨이퍼(122)를 회전시킨다.

또한, 캐로슬(134)은 테이블(140)의 중간에 배치되어 있다. 캐로슬(134)은 일반적으로 다수의 아암(150)을 포함하고 있으며, 이들 각각은 연마 헤드(152)를 지지한다. 캐로슬(134)은 연마 헤드(152)가 연마 스테이션(132)과 이송 스테이션(136) 사이로 이동될 수 있도록 색인되어 있다. 캐로슬(134)은 연마 헤드 조립체로서, 상기 연마 패드(800)의 상부에는 상기 웨이퍼(122)의 후면을 흡착하여 회전시키는 연마 헤드(152)가 형성되어 있다. 상기 연마 헤드(152)와 밀착되면서 상기 웨이퍼(122)의 표면을 마모시키는 상기 연마 패드(800)의 표면을 절삭시키면서 상기 연마 패드(800)의 평탄도를 인식하는 패드 컨디셔너(182)와, 상기 패드 컨디셔너(182)에서 인식되는 평탄도에 따라 상기 연마 패드(800) 상에 슬러리(820)를 공급시키는 슬러리 공급부(155)가 더 형성되어 있다,

그리고, 상기 연마 스테이션(132)은 상기 테이블(140)에서 일정한 속도로 회전하는 플래튼(platen, 700)과, 상기 플래튼(700)의 표면을 감싸는 연마 패드(polishing pad, 도 2의 800)로 구성되어 있다. 이때, 상기 연마 패드(800)는 상기 플래튼(700) 상에서 지지되는 웨이퍼(122)의 하부에서 상기 웨이퍼(122)가 회전되면 상기 웨이퍼(122)의 표면을 연마토록 형성되어 있다. 상기 연마 스테이 션(132)의 회전 시 평탄정도를 인식하는 패드 컨디셔너(conditioner, 182)와, 상기 연마 스테이션(132)의 플래튼(700) 상부에 형성된 연마 패드(800)에 슬러리(도 2의 820)를 공급하기 위한 슬러리 공급부(155)가 상기 테이블(140)에 형성되어 있다. 따라서, 상기 패드 컨디셔너(182)와 슬러리 공급부(155)에 의해 상기 플래튼(700) 및 연마 패드(800)로 이루어진 연마 스테이션(132)이 정상적인 상태를 유지하게 되고, 상기 연마 헤드(152)와 상기 연마 스테이션(132)의 회전에 의해 상기 웨이퍼(122)를 평탄화시킬 수 있다. 여기서, 플래튼(700)은 연마 헤드(152)와 서로 동일한 방향으로 회전되거나 서로 반대되는 방향으로 회전된다. 예컨대, 어플라이 머티리얼에서 생산되는 화학적 기계적 연마 설비는 플래튼(700)과 연마 헤드(152)가 서로 반대방향으로 회전되고, 두산에서 생산되는 화학적 기계적 연마설비는 플래튼(700)과 연마 헤드(152)가 서로 동일한 방향으로 회전된다.

도 2는 도 1의 연마 패드를 나타낸 사시도로서, 연마 패드(800)는 플래튼(700)의 상부에 커버링되는 매트릭스(matrix, 830) 내에 미립자 볼(810)이 랜덤하게 형성되어 있다. 여기서, 상기 연마 패드(800)는 상기 웨이퍼(122)와 소정의 마찰력을 갖고 마찰되면서 상기 웨이퍼(122)를 평탄하게 제거토록 할 수 있다. 또한, 연마 패드(800)는 슬러리 공급부(155)에서 공급되는 슬러리를 연마 패드(800)의 중심에서 가장자리까지 퍼지도록 동심원의 그루브(groove, 820)가 형성되어 있다.

따라서, 상기 웨이퍼(122)와 상기 연마 패드(800)는 서로 마찰되면서 소정 부분 마모될 수 있다. 예컨대, 상기 연마 패드(800)는 상기 웨이퍼(122)에 비해 높 은 마찰강도를 갖는 폴리우레탄 재질의 매트릭스(830)로 형성되어 있다. 또한, 연마 패드(800) 내에 함유된 미립자 볼(810)은 폴리우레탄 재질의 매트릭스(830)와 동일 또는 유사한 재질로 형성되어 있다.

폴리우레탄은 알코올기와 이소시안산기의 결합으로 만들어진 우레탄결합으로 결합된 고분자 화합물의 총칭이다. 합성섬유(合成纖維)로 만들어지는 것은 탄성섬유(彈性纖維) 스판덱스이다. 그것은 페를론 U와 우레탄고무의 중간이라고도 할 수 있다. 폴리우레탄은 폴리에스테르계와 폴리에테르계가 있다. 폴리에스테르계는 프로필렌글리콜과 에틸렌글리콜을 아디프산과 반응시켜 폴리에스테르로 만들고, 양단에 OH기를 가진 분자량 3,000까지의 것을 나프탈렌-1, 5-디이소시안산으로 우레탄화시킴과 동시에 고분자로 만든 것이다.

또한, 폴리에테르계는 산화프로필렌에 얼마간의 산화에틸렌을 섞어서 먼저 폴리에테르로 하고, 그 양끝의 OH기를 톨루일렌디이소시안산과 반응시켜 고분자량의 폴리우레탄으로 만든 것이다. 폴리우레탄은 내오존성·내마모성이 뛰어나기 때문에 산업 전반에 널리 사용되기도 한다. 여기서, 미립자 볼(810)은 매트릭스(830)보다 연마강도가 일정부분 높은 것을 사용할 수 있다. 따라서, 매트릭스(830)와 미립자 볼(810)은 동일한 폴리우레탄으로서 강도에 있어서 일부 차이가 있도록 설계된다.

한편, 콘택 비율(contact ratio)란 연마 패드(800)의 매드릭스와 웨이퍼(122)간에 접촉을 이루는 면적을 전체적으로 나눈 값이다. 화학적 기계적 연마 공정에서 패드 콘택은 슬러리 연마재에 압력을 인가하여 웨이퍼(122)를 연마하게 하는 중요한 인자이다. 즉, 웨이퍼(122)를 연마하기 위해서 패드 콘택은 필수적이다. 그것은 패드 컨디셔너(182)의 패드 관리에 의해 패드 표면에 지속적으로 생성된다. 연마 패드(800)의 콘택이 웨이퍼(122)의 연마 비율과 스크래치에 밀접한 관계가 있다는 것이다.

도 3은 콘택 압력과 스크래치간의 상관관계를 나타내는 그래프로서, 콘택 압력이 높을수록 스크래치는 증가하는 것을 알 수 있다. 여기서, 가로축은 콘택 압력을 나타내고, 세로축은 웨이퍼(122) 하나당 스크래치 개수를 나타낸다. 콘택 압력과 스크래치는 비례하여 증가되는 것으로 나타난다.

도 4a 및 도 4b는 콘택 압력과 스크래치간의 관계를 비교하기 위해 나타내는 단면도들로서, 연마 패드(800) 표면의 거칠기가 낮으면 웨이퍼(122)와 닿는 표면적이 증가되고, 거칠기가 높으면 웨이퍼(122)와 닿는 표면적이 낮아진다. 여기서, 연마 패드(800)와 웨이퍼(122)가 접촉되는 부분에서 발생되는 압력이 화살표로 나타나 있다. 화살표가 굵어지면 연마 압력이 높아지고, 얇아지면 연마 압력이 낮다. 그리고, 화살표의 개수가 증가되면 연마 압력이 낮아짐을 알 수도 있다.

웨이퍼(122)와 연마 패드(800)간에 닿는 표면적에 반비례하여 콘택 압력이 높아지고, 스크레치가 증가됨을 알 수 있다. 따라서, 연마 패드(800)의 매트릭스(830) 내에 함유되는 기포성 다공을 일정 수준 이하로 떨어뜨려야만 한다. 기포성 다공에 의해 연마 패드(800) 표면의 거칠기가 높아질 수 있기 때문이다.

또한, 매트릭스(830) 내에 다공을 일정 수준 이하로 줄일 수는 없다. 이는 매트릭스(830)뿐만 아니라 슬러리의 유동을 방해토록 할 수 있다. 따라서, 매트릭 스(830) 표면에 노출되는 표면적을 일정하기 유지토록 하기 위해서는 매트릭스(830) 표면과 함께 웨이퍼(122)에 접촉되는 미립자 볼(810)과 같은 마찰면이 일정한 배열을 갖도록 형성되어야 한다.

도 5는 도 2의 연마 패드(800)와 웨이퍼(122)의 단면도로서, 미립자 볼(810)이 연마 패드(800)의 매트릭스(830)에 랜덤하게 배분됨에 따라 웨이퍼(122) 표면에 접촉됨으로서 일정한 콘택 비율을 갖도록 할 수 있다. 여기서, 매트릭스(830)는 플래튼(700)의 상부표면에서 웨이퍼(122) 표면에 접촉되도록 형성되며, 미립자 볼(810)은 웨이퍼(122)에 닿는 것을 나타내기 위해 과도하게 크게 나타나 있다. 미립자 볼(810)은 균일한 크기를 가져야만 한다.

예컨대, 미립자 볼(810)은 매트릭스(830) 내에 약 40%의 함량을 갖도록 랜덤하게 혼합되어 있으며, 크기가 0.1㎛ 내지 20㎛정도이다. 10㎛ 내지 20㎛의 크기가 보다 바람직하다. 따라서, 연마 패드(800)는 매트릭스(830) 내에 다량으로 혼합된 미립자 볼(810)을 이용하여 콘택 비율을 높일 수 있다. 도시되지는 않았지만, 폴리우레탄 매트릭스(830)는 소량의 다공을 포함하여 이루어진다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 화학적 기계적 연마설비는 폴리우레탄 재질의 매트릭스(830) 내에 미립자 볼(810)을 형성하여 웨이퍼(122)와 연마 패드(800)간에 콘택 비율이 줄어들지 않도록 하고, 스크래치 유발을 방지하기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 그리고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마설비를 개략적으로 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 연마 패드를 나타낸 사시도.

도 3은 콘택 압력과 스크래치간의 상관관계를 나타내는 그래프.

도 4a 및 도 4b는 콘택 압력과 스크래치간의 관계를 비교하기 위해 나타내는 단면도들.

도 5는 도 2의 연마 패드와 웨이퍼의 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

800 : 연마 패드 810 : 미립자 볼

820 : 그루브 830 : 매트릭스

Claims (4)

1. 웨이퍼의 상부를 흡착하여 회전시키는 연마 헤드;

   상기 연마 헤드에 대향되는 상기 웨이퍼의 하부에서 회전되는 플래튼;

   상기 플래튼의 상부에서 회전되는 상기 웨이퍼 또는 상기 플래튼의 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부; 및

   상기 플래튼의 상부를 둘러싸고 상기 웨이퍼와 접촉되면서 연마되는 매트릭스 내에서 상기 웨이퍼와 접촉되는 표면적을 일정하게 유지토록 하는 미립자 볼이 랜덤하게 형성된 연마 패드를 포함함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마설비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미립자 볼은 상기 매트릭스보다 연마 강도가 높은 폴리우레탄을 포함함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마설비.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 미립자 볼은 10㎛ 내지 20㎛의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마설비.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 미립자 볼은 40퍼센트로 혼합함을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마설비.

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