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KR100796557B1 - 화학적 기계적 연마장비의 세정장치 - Google Patents

화학적 기계적 연마장비의 세정장치 Download PDF

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KR100796557B1
KR100796557B1 KR1020060059041A KR20060059041A KR100796557B1 KR 100796557 B1 KR100796557 B1 KR 100796557B1 KR 1020060059041 A KR1020060059041 A KR 1020060059041A KR 20060059041 A KR20060059041 A KR 20060059041A KR 100796557 B1 KR100796557 B1 KR 100796557B1
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손준호
서성범
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두산메카텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마장비의 세정장치에 관한 것으로, 회전하는 스핀들과 비회전결합하고 그 내부에 세정수가 유입되는 제1통로와 압축가스가 유입되는 제2통로가 각각 형성되는 비회전중심축과, 상기 스핀들에 결합되어 연마패드상에서 상기 비회전중심축을 중심으로 공전운동하고 상기 제1통로에서 공급되는 세정수와 상기 제2통로에서 공급되는 압축가스를 혼합하여 이류체를 생성하며 혼합생성된 이류체를 상기 연마패드상에 가압분사하는 노즐블럭을 포함한다. 본 발명에 의하면, 세정수를 가압하여 연마패드상에 고속분사하므로 연마패드상의 슬러리입자 및 이물질을 완벽하게 제거가능하므로 웨이퍼 스크레치를 방지할 뿐만 아니라 연마패드의 수명을 연장시키는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 노즐블럭이 스핀들과 함께 회전하여도 비회전중심축으로 부터 안정적으로 세정수 및 압축가스를 공급받는다는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 웨이퍼 연마공정 중에 세정수 공급을 차단하고 압축가스만을 연마패드상에 분사하여 연마패드를 냉각시킬 수 있다는 효과가 있다.
웨이퍼, 연마, 세정, 비회전중심축, 노즐블럭

Description

화학적 기계적 연마장비의 세정장치{Cleaning device in C.M.P. equipment}
도 1은 종래 화학적 기계적 연마장비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치를 도시한 일실시 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치가 적용된 화학적 기계적 연마장비의 개략적인 일실시 단면상태도이다.
도 4는 도 2에 도시된 화학적 기계적 연마장비의 세정장치에서 A-A'선 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 비회전중심축 101 : 제1통로
102 : 제2통로 110 : 가스연결라인
200 : 노즐블럭 210 : 제1블럭
211 : 세정수통로 220 : 제2블럭
221 : 가스통로 230 : 분사구
300 : 스핀들 310 : 스핀들 하우징
400 : 플래튼 410 : 연마패드
본 발명은 화학적 기계적 연마장비의 세정장치에 관한 것으로, 특히 화학적 기계적 연마를 수행하는 연마장비의 연마패드에 발생되는 슬러리 입자를 포함한 이물질을 제거하여 웨이퍼 스크레치를 방지하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 실리콘 웨이퍼에 대하여 증착공정, 사진공정, 식각공정, 이온주입공정 등과 같은 다양한 제조공정을 수행하여 제조된다.
일례로, 실리콘 웨이퍼는 제조공정 중에 다양한 공정층이 형성되는데, 이러한 공정층의 일부분을 선택적으로 제거하거나 패턴화하고, 추가의 공정층을 기형성된 공정층 표면에 증착시키는 과정이 반복 진행될 수 있다.
이러한, 공정층은 예컨데, 절연층, 게이트 산화물층, 전도층, 금속 또는 유리층 등이 될 수 있다.
이에, 특정 공정에서는 웨이퍼에 기형성된 공정층의 최상부 표면이 후속하는 공정층의 증착을 위해서 평탄한 상태인 것이 바람직하다.
따라서, 실리콘 웨이퍼는 후속 공정의 안정적 진행을 위해 기형성된 공정층을 평탄하게 연마하는 연마공정을 거치게된다.
즉, 웨이퍼 연마공정이란 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위한 공정이고, 대표적 일례로서 웨이퍼 표면과 마찰접촉될 연마패드(polishing head)에 화학적 슬러리(slurry)를 도포하고 웨이퍼의 평탄화시킬 표면을 상기 연마패드(polishing pad) 에 가압한 상태에서 웨이퍼와 연마패드를 상호 상대적으로 마찰운동시켜 웨이퍼 표면의 평탄화를 달성하는 화학적 기계적 연마(Chemical mechanical polishing / planarization; C.M.P.)방식이 제시된 바 있다.
한편, 상기한 바와같은 화학적 기계적 연마를 수행하는 장비는 본 출원인에 의해 출원등록된 대한민국 등록특허공보 제490266호에 개시된 바 있다.
도 1은 종래 화학적 기계적 연마장비의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 화학적 기계적 연마장비는 웨이퍼 표면에 면접촉하여 웨이퍼 표면과 물리적인 마찰이 수행되는 연마패드(11)가 장착되는 플래튼(10)과, 웨이퍼를 고정장착하여 상기 연마패드(11)상에 가압마찰접촉시키는 연마헤드(20)와, 웨이퍼가 장착된 상기 연마헤드(20)를 연마패드(11)상에 가압회전시키는 스핀들(30)과, 연마헤드(20)에 연마공정이 수행될 웨이퍼를 로딩하거나 연마헤드(20)에서 연마공정이 완료된 웨이퍼를 로딩받는 로딩유니트(40) 등을 포함할 수 있다.
이러한, 로딩유니트(40)는 로딩컵(41)의 최상부에 설치되는 로딩플레이트(42)가 그 상면에 웨이퍼를 로딩받아 지지하고, 로딩플레이트(42)와 연마헤드(20)가 상호 웨이퍼를 장,탈착하도록 로딩컵(41)과 연결된 아암(44)이 회전축(43)을 중심으로 연마헤드(20)측으로 선회 및 상하로 승강된다.
한편, 상기의 구성에 부가하여 종래 화학적 기계적 연마장비는 웨이퍼 연마중에 발생되는 슬러리 입자를 포함한 이물질 등이 연마패드(11)의 그루브(groove)에 침전되거나 하여 웨이퍼에 스크레치를 발생시키거나 연마패드(11)의 수명을 단축시키는 단점이 있었다.
이에, 종래 화학적 기계적 연마장비는 연마패드(11)상의 슬러리 입자를 포함한 이물질을 제거하는 세정장치를 더 포함할 수 있다.
일례로, 상기 세정장치는 스핀들(30)의 저면에 결합되어 스핀들(30)의 회전에 의해 연마헤드(11)와 함께 연마패드(11)상에서 공전하며 연마패드(11)상에 탈이온수(deionized water) 또는 초순수(ultrapure water)등의 세정수를 분사하여 연마패드(11)상의 슬러리 입자를 포함한 이물질을 제거한다.
그러나, 종래 화학적 기계적 연마장비의 세정장치는 세정수만을 단일 분사하는 방식이므로, 슬러리 입자 또는 이물질의 제거율이 낮아 상기한 바와같이 웨이퍼 스크레치 방지 및 연마패드의 수명단축을 방지하려는 소기의 목적을 달성하기에 부족하다는 단점이 있었다.
더욱이, 종래 화학적 기계적 연마장비는 연마공정이 진행되다 보면 연마패드상에 마찰력에 의한 마찰열이 발생되어 연마패드가 고온화되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은, 연마패드상의 슬러리 입자를 포함한 이물질을 충분히 제거해내는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연마공정 진행시 연마패드에서 발생되는 마찰열에 대처할 수 있는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 회전하는 스핀들과 비회전결합하고 그 내부에 세정수가 유입되는 제1통로와 압축가스가 유입되는 제2통로가 각각 형성되는 비회전중심축과, 상기 스핀들에 결합되어 연마패드상에서 상기 비회전중심축을 중심으로 공전운동하고 상기 제1통로에서 공급되는 세정수와 상기 제2통로에서 공급되는 압축가스를 혼합하여 이류체를 생성하며 혼합생성된 이류체를 상기 연마패드상에 가압분사하는 노즐블럭을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치가 적용된 화학적 기계적 연마장비의 개략적인 단면상태도이며, 도 4는 도 2에 도시된 화학적 기계적 연마장비의 세정장치에서 A-A'선 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치는 스핀들(300)과 비회전결합하고 그 내부에 세정수가 유입되는 제1통로(101)와 압축가스가 유입되는 제2통로(102)가 각각 형성되는 비회전 중심축(100)과, 상기 스핀들(300)에 결합되어 플래튼(400)에 설치된 연마패드(410)상에서 상기 비회전중심축(100)을 중심으로 공전운동하며, 상기 제1통로(101)에서 공급되는 세정수와 상기 제2통로(102)에서 공급되는 압축가스를 혼합하여 이류체를 생성하고, 생성된 이류체를 상기 연마패드(410)상에 가압분사하는 노즐블럭(200)을 포함한다.
상기 비회전중심축(100)은 스핀들(300)의 중앙부를 관통하여 스핀들(300)과 결합하되 스핀들(300)의 회전과 무관하게 비회전되는 축이다.
일례로, 비회전중심축(100)은 스핀들(300)과의 결합부위에 로터리피팅(미도시)이 설치되어 스핀들(300)이 연마공정을 위해 회전하여도 회전하지 않는다.
일례로, 상기 스핀들(300)은 별도의 구동원(미도시)에서 회전구동력을 제공받아 회전하되 외연에는 비회전되는 스핀들 하우징(310)이 설치된다. 이러한 스핀들(300)과 스핀들 하우징(310)의 결합부위에는 베어링(미도시)이 설치될 수 있다.
또한, 스핀들(300)은 그의 저면 일측에 웨이퍼를 장착하여 연마패드(410)에 가압회전 마찰시키는 연마헤드(320)가 결합될 수 있고, 대향측에 설치되어 연마패드(410)의 표면을 개질하는 컨디션닝헤드(미도시)가 결합될 수 있다.
그리고, 비회전중심축(100)은 스핀들(300) 저면에 설치되어 스핀들(300)과 함께 회전하는 노즐블럭(200)에 대하여 세정수 및 압축공기를 공급하도록 그 내부에 통로(101, 102)가 형성되는데, 세정수 공급원(미도시)에서 탈이온수(deionized water) 또는 초순수(ultrapure water) 등의 세정수를 공급받는 제1통로(101)와, 상기 제1통로(101)의 내부에 축선을 따라 형성되어 압축공기 공급원(미도시)에서 압 축공기를 공급받는 제2통로(102)를 포함한다.
즉, 비회전중심축(100)은 그 내부에 2종의 유체가 서로 다른 경로로 유입될 수 있는 이중배관구조를 갖는다.
그리고, 비회전중심축(100)은 그 하단부가 노즐블럭(200)의 일단에 삽입하여 상호 결합하되, 노즐블럭(200)과의 결합되는 부위에는 로터리피팅(120; rotary fitting)이 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 로터리피팅(120)은 비회전중심축(100)과 노즐블럭(200)의 결합부위에 설치되어 비회전중심축(100)이 비회전하여도 스핀들(300)과 결합되어 회전하는 노즐블럭(200)이 비회전중심축(100)으로 부터 안정적으로 유체공급받도록 하는 동시에 비회전하는 비회전중심축(100)과 회전하는 노즐블럭(200) 간에 상호 실링(sealing)이 구현되도록 하는 통상의 배관연결용 구성부품이다.
이러한, 노즐블럭(200)은 스핀들(300)의 저면에 결합되어 상기 비회전중심축(100)에서 공급되는 세정수와 압축가스를 상호 혼합하여 이류체를 생성하고, 생성된 이류체를 연마패드(410)상에 가압분사하여 연마패드(410)상의 슬러리 입자를 포함한 이물질 등을 제거하며, 연마패드(410)를 세정하기 위한 구성부품이다.
구체적으로, 노즐블럭(200)은 제1통로(101)에서 세정수를 공급받아 상기 연마패드(410)상에 분사하는 제1블럭(210)과, 상기 제2통로(102)에서 압축가스를 공급받아 상기 제1블럭(210)에 공급하는 제2블럭(220)을 포함한다.
상기 제1블럭(210)은 비회전중심축(100)의 하단과 결합되어 제1통로(101)로 부터 세정수를 공급받아 연마패드(410)상으로 세정수를 분사하는 세정수통로(211) 가 형성된다.
상기 제2블럭(220)은 비회전중심축(100)의 하단에서 제2통로(102)와 소통연결되어 제2통로(102)에서 공급되는 압축가스를 가스통로(221)로 유입시키는 플렉서블한 가스연결라인(110)이 설치된다.
또한, 제2블럭(220)의 가스통로(221)는 가스연결라인(110)을 통하여 유입된 압축가스를 제1블럭(210)의 세정수통로(211)로 공급하여 제1블럭(210)에서 분사되는 세정수가 고속분사되도록 한다.
즉, 종래 화학적 기계적 연마장비의 세정장치는 세정수만을 단일 분사하므로 분사력이 약하여 연마패드(410)상의 그루브(groove)에 발생된 슬러리(slurry) 입자 또는 이물질 등을 제거해내는 수율이 낮았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마장비의 세정장치는 세정수가 압축가스에 의해 가압되어 고속분사되므로 연마패드(410)상의 슬러리 입자를 포함한 이물질 제거율이 탁월하다는 효과가 있다.
특히, 세정수를 가압하여 고속분사하기 위한 압축가스는 습윤의 청정공기를 사용할 수도 있으나, 연마공정중 연마패드(410)의 냉각을 위하여 질소(N2)가스를 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 본 일실시예에서는 압축가스로서 질소가스를 사용하여 세정수를 고속분사시키는 것은 물론 연마패드(410)를 냉각시키는 것을 예시한다.
이처럼, 본 일실시예에서는 압축가스로서 질소가스를 예시하였으나, 연마공 정상에 영향을 주지 않으면서도 세정수를 가압하여 고속분사시키고 연마패드(410)를 냉각시킬 수 있는 유체이면 예시한 질소가스를 대체할 수 있음은 물론이다.
구체적으로, 연마헤드(320)가 웨이퍼를 장착하여 연마패드(410)상에 가압마찰회전시키는 웨이퍼 연마공정이 진행될시에는 제1통로(101)로의 세정수의 공급을 차단하고 제2통로(102)에서 질소가스만을 공급하여 제1노즐블럭(210)에서 질소가스만을 연마패드(410)상에 분사하도록 함으로써 연마패드(410)에 발생하는 마찰열을 냉각시킬 수 있다.
위와 같은 웨이퍼 연마공정이 진행된 후에 소정량의 슬러리 입자를 포함한 이물질이 연마패드(410)상에 발생하면, 상기와 같이 노즐블럭(200)은 세정수와 압축가스를 함께 공급받아 연마패드(410)상에 세정수를 고속분사하여 슬러리 입자를 포함한 이물질 제거 및 연마패드(410)를 세정한다.
상기의 구성에서, 제1블럭(210)은 상기 연마패드(410)의 중심에서 반지름방향으로 상호 분사영역이 중첩되는 다수의 분사구(230)를 포함하는 것이 바람직하다.
따라서, 제1블럭(210)은 스핀들(300)과 함께 회전하며 연마패드(410)의 반지름방향 전체구간에 대하여 세정수를 고속분사하므로 연마패드(410)의 연마공정이 이루어지는 전면적에 대하여 세정을 수행하게 된다.
더욱이, 제2블럭(220)은 제1블럭(210)의 각 분사구(230)에서 분사되는 세정수가 고속분사되도록 각 분사구(230)측으로 압축가스를 각각 공급하는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 세정수를 가압하여 연마패드상에 고속분사하므로 연마패드상의 슬러리입자 및 이물질을 완벽하게 제거가능하므로 웨이퍼 스크레치를 방지할 뿐만 아니라 연마패드의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 노즐블럭이 스핀들과 함께 회전하여도 비회전중심축으로 부터 안정적으로 세정수 및 압축가스를 공급받는다는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 웨이퍼 연마공정 중에 세정수 공급을 차단하고 압축가스만을 연마패드상에 분사하여 연마패드를 냉각시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 회전하는 스핀들과 비회전결합하고, 그 내부에 세정수가 유입되는 제1통로와 압축가스가 유입되는 제2통로가 각각 형성되는 비회전중심축; 및
    상기 스핀들에 결합되어 연마패드상에서 상기 비회전중심축을 중심으로 공전운동하고, 상기 제1통로에서 공급되는 세정수와 상기 제2통로에서 공급되는 압축가스를 혼합하여 이류체를 생성하며, 혼합생성된 이류체를 상기 연마패드상에 가압분사하는 노즐블럭을 포함하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐블럭은,
    상기 제1통로에서 세정수를 공급받아 상기 연마패드상에 분사하는 제1블럭; 및
    상기 제1블럭에서 상기 연마패드상에 분사되는 세정수가 가압분사되도록 상기 제2통로에서 압축가스를 공급받아 상기 제1블럭에 공급하는 제2블럭을 포함하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1블럭은,
    상기 연마패드의 중심에서 반지름방향으로 상호 분사영역이 중첩되는 다수의 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2블럭은,
    상기 제1블럭의 각 분사구에 압축가스를 각각 공급하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐블럭과 상기 비회전중심축이 결합되는 부위에는, 로터리피팅이 설치된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제2통로로 공급되는 압축가스는, 질소가스인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1블럭은,
    상기 제1통로에서 세정수의 공급차단시 상기 제2통로에서 공급되는 질소가스만을 분사하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장비의 세정장치.
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