KR100468178B1 - 쓰리챔버 ｃｍｐ 연마 헤드 및 그 이용 방법 - Google Patents
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Abstract
연마장치 및 쓰리-챔버형 연마 헤드(40) 구조 및 방법은 기계적 연마(CMP) 공정 중에 기판, 특히 평탄화된 반도체 웨이퍼의 에지 근처에서의 연마 균일성을 향상시킨다. 기판의 각 영역에 걸쳐 압력을 조절하는 방법을 제공한다. 본 방법은, 웨이퍼로부터 제거된 물질에 작용하도록 연마 패드에 대항하여 웨이퍼 상에 가해진 제1 압력(1)을 제어하고, 연마 패드가 웨이퍼의 주변 에지에서 웨이퍼와 접촉하는 방법으로 작용하도록 하기 위하여, 상기 연마 패드에 직접 대항하여, 상기 웨이퍼와 동심으로 배치된 리테이닝 링 상에 가해진 제2 압력(2)을 제어하고, 그리고 상기 환형 영역 근처에서의 제1 및 제2 압력에 변화를 주기 위하여 상기 웨이퍼의 외부 환형 에지 및 상기 리테이닝 링의 내부 환형 영역 근처의 소정의 환형 영역 내부에 가해진 제3 압력(3)을 제어한다. 상기 제1(1), 제2(2), 및 제3(3) 압력 각각은 독립적으로 제어될 수 있다. 본 방법에 의해 처리된 기판이 제공된다.
Description
미크론 이하의 집적 회로(ICs)는 장치가 금속 내부 접속 단계에서 평면화될 것을 요한다. 화학 기계식 연마(CMP)는 웨이퍼 표면을 평면화시키기 위한 선택적인 기술이다. IC 트랜지스터 패키지 밀도는 소위 "무어의 법칙(Moore's Law)"에 따라 18개월마다 2배가 된다.
칩 상에 트랜지스터의 패키지 밀도를 증가시키기 위한 두가지 방법이 존재한다. 첫번재 방법은 장치 또는 다이 크기를 증가시키는 것이다. 그러나, 이는 다이 크기가 증가될수록 웨이퍼당 다이 수율은 감소되므로 최상의 방법은 아니다. 단위 면적당 결함 밀도가 제한 변수인 사실로 인해, 결함이 없는 다이 면적의 양은 다이 크기가 증가됨으로 인해 감소된다. 수율이 낮아질 뿐만 아니라, 웨이퍼 상에 단을 이루는(프린트되는)다이의 수 또한 감소되어질 것이다. 두번째 방법은 트랜지스터 구조물의 크기를 감소시키는 것이다. 소형의 트랜지스터는 보다 높은 스위치 속도를 의미한다. 트랜지스터 크기를 감소시킴으로써, 보다 많은 트랜지스터 또는 보다 많은 로직 기능 또는 메모리 비트는 다이 크기를 증가시키지 않고 동일한 장치 면적 상에서 패키지될 수 있다. 구조물 크기의 감소는 인텔의 무어 박사에 의해 예견된 결과를 유도하기 위한 기술로 행해졌다.
절반 미크론 크기 이하의 기술은 단지 지난 3년 내에 1/4 미크론 크기 이하의 기술로 급속히 발전해 왔다. 각 칩에 조립되어 있는 트랜지스터의 수는 엄청나게 늘어나 3년 전의 칩당 몇 십만개의 트랜지스터로부터 오늘날 칩당 5백만개 이상의 트랜지스터로 되었고, 2006년까지는 칩당 수억개의 트랜지스트가 될 것이다. 그때, 상호 연결 와이어링의 량의 길이는 현재 수백미터에서 20Km 이상으로 늘어날 것이다. 그러한 문제에 대한 현재의 해결책은, 절연(유전체)박막을 내부에 가지는 상태로 상호 연결 와이어링 층들을 적층하여 형성하는 것이다. 상기 와이어링은 또한 비어들(vies)을 통하여 수직으로 연결될 수 있으며, 이리하여 집적회로 기능에 의해 필요한 만큼의 모든 전기적 경로를 형성할 수 있게 된다.
절연 유전층에 끼워 넣어진 감입 금속라인을 이용하는 신기술은 80년대 후반 IBM 엔지니어들에 의해 발명되어 IC 상호접속 필요성을 만족시키게 되었다. 감입 금속라인 구조에 의하면, 금속 와이어링 연결이 유전층의 플라즈마 에칭된 트렌치 및 비어를 통하여 상하 방향으로 뿐만 아니라 동일 평면상에 형성되게 된다. 이론적으로, 이들 연결 평면은, 각 층이 CMP 공정으로 잘 평탄화되는 한, 서로의 상단부 상에 원하는 만큼 많은 층으로 형성될 수 있다. 상호 연결의 극한값은 연결 저항(R) 및 근접 전기용량(C)에 의해 형성된다. 소위 RC 상수는 신호 대 노이즈 비를 제한하고, 전력소비의 증가를 야기하며, 칩이 작동되지 않도록 초래한다. 2006년에 대한 예견된 SIA 로드 맵에 따르면, 칩 상에 집적될 트랜지스터 수는 10억개 정도로 많아질 것이며, 상호 연결 층의 수는 5개층에서 약 9개층으로 까지 늘어날 것이다.
새로운 상호 연결기술 문제에 대응하기 위해, CMP 공정 및 CMP 툴(tool) 실행은 바람직하게는 다음 3가지 목표를 달성하기 위해 개선될 것이다.
첫째, 상하 연마로 인한 웨이퍼 가장자리 배제는 6mm에서 3mm 이하로 축소되어야 한다. 웨이퍼의 주변 영역 둘레에서 생성될 수 있는 전기적으로 우수한 다이의 영역을 증대시킬 필요가 있다. 웨이퍼 크기는 200mm로부터 2006년 전까지 300mm로 커지며, 다이 크기는 현재 측면이 10mm로부터 20mm로 커질 것이기 때문에, 2mm 에지 배제 CMP 실행이 이루어질 수 있을 경우, 전기적으로 우수한 다이를 위하여 포텐셜이 2배 이상이 될 것이다.
둘째, 연마 불균일성은 바람직하게는 5%(1시그마)로부터 3% 이하로 개선되어야 한다. 웨이퍼 캐리어 고안은 연마 처리 중에 웨이퍼에 대하여 균일하고도 적절한 힘을 가할 수 있어야 한다.
세째, CMP는 압축 또는 인장 스트레스 하에서 금속화된 웨이퍼를 바람직하게 연마할 수 있어야 한다. 상호 연결을 위해 보통 사용되는 금속은 알루미늄, 구리합금, 티타늄, 티타늄 질화물, 텅스텐, 탄탈륨 및 구리이다. 금속화된 웨이퍼는 공정조건, 금속 경도, 또는 금속 두께 때문에 종종 스트레스 하에 있게 된다. 압박된 웨이퍼는 내부로 휘거나(압축 스트레스) 또는 외부로(인장 스트레스) 휠 수 있으며, 금속라인 디싱 및 산화물 또는 유전층 부식이 발생할 때, 결과적으로 연마 처리 중 중대한 불균일성 문제를 야기시킬 수 있다. 결과적으로, 양 경우 모두, 수율이 감소되고 웨이퍼당 우수 다이의 수가 감소된다. 새로 개선된 플로팅 헤드 및 플로팅 리테이닝 링 고안에 의하면, 웨이퍼의 에지 및 그 내부에 대해 균일하게 평탄화된 표면을 얻기 위하여, 하방의 연마력이 웨이퍼 에지에 접촉하기에 앞서 전체 웨이퍼, 웨이퍼 에지에 대하여 그리고 연마 패드 상으로 최적으로 분배될 수 있도록 한다.
집적회로는 1이상 층의 연속적 증착에 의해 기판, 특히 실리콘 웨이퍼 상에 통상적으로 형성되며, 이 층들은 도전체, 절연체, 또는 반도체일 수 있다. 이들 구조는 보통 다층 금속 구조(MIM's)로 불려지며 디자인 룰을 상당히 감소시킴과 함께 칩 상에 회로 소자를 밀폐 패킹할 수 있도록 하는 데 중요하다.
노트북 컴퓨터, 퍼스널 데이터 보조물(PDA들), 셀방식 전화 및 다른 전자 장치에 사용되는 것들 등과 같은 편평한 패널 디스플레이는, 일반적으로 활성 또는 비활성 LCD회로 등과 같은 디스플레이 소자를 형성하기 위하여 글래스 또는 다른 투명기판 상에 1이상의 층들을 증착할 것이다. 각 층이 증착된 후, 회로구성을 형성하기 위하여 선택된 영역으로부터 물질을 제거한다. 일련의 층들이 증가되고 에칭될 때, 상기 외부 표면 및 하부 기판 사이의 간격이 최소 에칭이 발생한 기판 영역에서 최대이고 상기 외부 표면 및 하부 기판 사이의 간격이 최대 에칭이 발생한영역에서 최소이기 때문에 기판의 외부 표면 또는 최상단 표면이 연속적으로 덜 평탄하게 된다. 단일층인 경우에도, 비평탄면은 피크 및 골의 평평하지 않은 프로파일을 가진다. 복수의 패턴형성층의 경우, 피크 및 골 사이의 높이차는 더욱 커지게 될 것이고, 일반적으로 수 미크론 만큼 변화할 것이다.
비평탄 상부면은, 표면을 패턴하기 위해 사용되는 표면 리소그래피에 관련한 그리고 과다 높이 변화를 가지는 표면상에 장착되는 경우 패쇄되는 층들에 관련한 문제가 있다. 그렇기 때문에, 평탄층 표면을 제공하기 위하여 주기적으로 가판 표면을 평탄화할 필요가 있다. 평탄화는 비평탄 외부면을 제거하여 상대적으로 편평하고 매끄러운 표면을 형성하고 도체, 반도체 또는 절연물질과 별도로 연마와 관계가 있다. 평탄화 후, 구조들 사이에 상호접속상호접속함하는 추가의 구조들을 형성하기 위하여 추가의 층들이 노출된 외부 표면상에 증착되거나, 아니면 상기 노출된 표면상에 구조들에 대해 비아들을 형성하기 위하여 상부층이 식각된다. 일반적으로 연마는, 특히 화학 기계식 연마(CMP)는 표면 평탄화를 위한 공지된 방법들이 있다.
연마공정은 특별한 연마 마무리 처리(거침 또는 매끄러움) 및 편평성(큰 스케일의 토포그래피 없음)을 달성하도록 고안된다. 최소의 마무리 처리 및 편평성을 제공하지 못하면, 결과적으로 기판에 결함이 있게 되고 결국 집적회로에 결함이 있게 된다.
CMP중에, 반도체 웨이퍼 등과 같은 기판은, 일반적으로 연마될 노출 표면을, 연마 헤드의 일부이거나 연마 헤드에 접촉된 웨이퍼 캐리어 상에 장착된다. 그 장착된 기판은, 연마장치의 베이스 또는 지지부(11)상에 배치된 연마 패드(17)를 가지는 회전 연마 플래튼에 대항하게 배치된다. 상기 연마 패드는 일반적으로, 상기 패드에 평행한 반대편에서 기판면과의 상호 작용 및 연마슬러리의 균일한 분배를 제공할 수 있도록 그의 편평한 연마 표면이 수평방향이 되도록 배치된다. 상기 패드표면의 수평방향 배치(패드 표면의 법선은 수직)는, 웨이퍼가 중력의 영향하에서 최소한 부분적으로 패드에 접촉하도록 하고, 중력이 웨이퍼 및 연마 패드 사이에 불균일하게 가해지지 않도록 하는 방식으로 최소 한도로 상호작용 하도록 하는 것이 바람직하다. 패드 회전에 추가하여, 캐리어 헤드는 기판 및 연마 패드 표면 사이의 추가 운동을 제공하도록 회전한다. 액체 내에 떠 있는 연마제, 그리고 CMP 용의, 최소한 하나의 화학반응제를 일반적으로 포함하는 연마 슬러리가 연마제 혼합물, 그리고 CMP용의, 패드기판 계면에서 연마제 및 화학적 반응성 혼합물을 제공하도록 상기 연마 패드에 적용될 수 있다. 여러 가지 연마 패드, 연마 슬러리, 및 반응 혼합물 들이 이 기술분야에서 공지되어 있으며, 그것은 특별한 마무리 처리 및 편평성의 특성이 달성될 수 있도록 조합된다. 연마 패드 및 기판 사이의 상대속도, 총 연마시간, 및 연마중 가해진 압력, 및 다른 인자들이 균일성 뿐만 아니라 표면 편평도 및 마무리 처리에 영향을 끼친다. 복수의 헤드가 회전용으로 장착되는 캐로우슬(13)을 포함하는 연마기 등의 상면에 복수의 헤드 연마기가 사용되며, 임의의 특별한 연마동작 중에 연마된 모든 기판들, 연속되는 기판들의 연마공정은, 동일 정도로 평탄화되고, 대략 동일한 양의 물질을 제거하며, 동일한 편평성 및 마무리 처리를 제공한다. CMP 및 웨이퍼 연마는 보통 이 기술분야에서 공지되어 있으므로 여기서 추가로 더 상세히 기술되지는 않을 것이다.
연마 패드의 상태는 또한 연마 결과에 영향을 끼칠 수 있으며, 특히 단일 연마 실행 과정에 걸쳐 연마 동작의 균일성 및 안정성에 영향을 끼치며, 더욱 특히 연속적인 연마 동작 중에 연마 균일성에 영향을 끼친다. 일반적으로, 상기 연마 패드는, 가열, 가압, 슬러리 또는 기판 방해물의 결과로서 1이상의 연마 동작 중에 연마되게 된다. 상기 효과는, 패드의 피크부분이 압축되거나 마모되고 패드 내의 구멍 또는 빈 공간이 연마 잔해로 채워지게 될 때 연마 특성을 약화시키게 된다. 이들 효과를 극복하기 위하여, 상기 패드의 원하는 연마 상태를 복원하도록 연마 패드 표면이 조절되어야 한다. 그러한 조절은, 일반적으로 그의 연마 상태를 유지하도록 상기 패드 상에 주기적으로 실행되는 개별의 동작에 의하여 실행되게 된다. 이것은, 소정의 연마 지속시간 동안 소정량의 물질이 제거되고 소정의 편평성 및 마무리 처리가 달성되고, 그리고 그밖에 기판으로부터 제조된 상기 집적회로가 대략 동일하도록 충분히 동일한 특성을 가지는 기판을 제조하도록 안정된 동작을 지속시키도록 돕는다. LCD 디스플레이 스크린의 경우, 개개의 다이 내로 절단되는 상이한 웨이퍼, 수 인치의 디스플레이 스크린이, 만약 작은 영역이 결함으로 인하여 쓸모없어 진다면 전체적으로 쓸모 없어지게 될 것이기 때문에, 균일한 특성이 더욱 필요하게 된다.
삽입부는, 통상적으로 사용되는 경우 웨이퍼 서브캐리어에 결합되고 금속 또는 세라믹 표면으로 형성되는 캐리어 표면 및 웨이퍼 사이에 존재하는 저가의 패드이다. 삽입부의 기계적 특성에서의 변화는 CMP의 연마 결과에서의 변화의 원인이 된다. 웨이퍼 주변 또는 에지 근처에서의 에지 효과는 연마기 헤드 고안에 의존하여 웨이퍼 표면 특성을 저하시키거나 또는 향상시킨다. 예를 들면, 리테이닝 링과 결합되는 어떤 연마 헤드에서, 웨이퍼 에지로부터 에지 효과를 없애기 위하여 적절한 리테이닝 링 구조를 제공함으로써 질저하 효과를 감소시킬 수도 있다.
미국 특허 제5,205,082호에서는, 더 이전의 구조 및 방법에 있어서의 많은 이점들을 가지는 서브캐리어를 장착한 유연성 격판이 기술되고, 미국 특허 제5,484,751호에서는, 유연성 블레이더를 사용하여 리테이닝 링 상에 하방의 힘을 제어할 수 있도록 하지만; 그러나 이들 특허의 어느 것에서도 웨이퍼 및 리테이닝 링의 계면에 존재하는 압력을 독립적으로 제어하는 구조 또는 에지 연마 또는 평탄화 효과를 변형하기 위한 어떤 종류의 차동 압력에 관하여 기술하고 있지 않다.
전술한 바에 비추어, 임의의 기판의 오염 또는 파괴의 위험을 최소화하면서도, 연마 처리량, 편평도, 및 마무리 처리를 최적화하는 화학 기계적 연마 장치가 필요하다.
연마되는 기판 표면을 가로질러 대략 균일한 압력을 제공하고, 상기 연마 동작 중에 기판을 상기 연마 패드에 대략 평행하게 유지시키고, 상기 기판의 주변부에 바람직하지 않은 연마 변형 상태를 유도하지 않고 기판을 연마 헤드의 캐리어 부분 내에 유지시키고, 그리고 상기 연마 동작 중에 패드를 바람직하게 조절하는 그러한 연마 패드가 필요하다.
본 발명의 구조 및 방법은, 이하에 요약하여 설명되는 바와 같이, 많은 고안 세부사항들 및 신규의 구성성분들을 병합하고 있다. 본 발명의 구조, 방법, 및 구성 성분들은 상세한 설명에 기술될 것이다.
본 발명은 실리콘 표면, 금속 박막, 산화막, 및 표면 상의 또 다른 막을 포함하는 기판의 화학 기계식 평면화 및 연마에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 보유 링을 구비한 기판 캐리어 조립체를 포함하는 연마 헤드에 관한 것이며, 특히 연마 헤드 및 다양한 산화물, 금속, 또는 기판의 표면 상에 다른 증착된 재료의 실리콘 또는 유리기판 연마 및 화학 기계식 평면화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 부가적인 목적 및 특성은 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명 및첨부된 청구범위로부터 보다 명백해질 것이다.
도1은 연마 헤드 어셈블리를 포함하는 일반적인 연마 장치의 일 실시예의 개략도.
도2는 본 발명의 연마 헤드 어셈블리의 일 실시예의 개략도.
도3은 도2의 연마 헤드 어셈블리의 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 일부의 어떤 추가 구성을 도시한 개략도.
도4는 5채널 로터리 결합체를 포함하는 본 발명의 스핀들 어셈블리의 일 실시예를 도시란 개략도.
도5는 가압된 물 및 진공 뿐만 아니라, 제1, 제2 및 제3 압력 챔버에서 압력을 독립적으로 제어하기 위한 압력 제어 시스템의 일 실시예를 도시한 개략도.
도6a내지 도28b는 본 발명의 특히 바람직한 실시예의 상세한 부분들 및 다른 구성들의 특별한 실시예를 도시한 개략도들이며, 여기서:
도6a-6e는 예시적인 200mm 직경 웨이퍼 연마 헤드용 서브캐리어의 개략도.
도7a-7b는 예시적인 서브캐리어 가스켓의 개략도.
도8a-8c는 예시적인 링의 개략도.
도9a-9d는 예시적인 어댑터의 개략도.
도10a-10d는 예시적인 하부 하우징의 개략도.
도11a-11b는 예시적인 제1 격판의 개략도.
도12a-12g는 예시적인 내부 플랜지된 링의 개략도.
도13a-13d는 예시적인 외부 플랜지된 링의 개략도.
도14a-14d는 예시적인 록킹 링의 개략도.
도15a-15b는 예시적인 제2 격판의 개략도.
도16a-16c는 예시적인 내부 스톱 링의 개략도.
도17a-17c는 예시적인 외부 스톱 링의 개략도.
도18a-18e는 예시적인 하우징 밀봉 링의 개략도.
도19a-19e는 예시적인 장착 어댑터의 개략도.
도20a-20c는 예시적인 상부 하우징의 개략도.
도21a-21d는 예시적인 어댑터의 개략도.
도22는 예시적인 막 삽입부의 개략도.
도23a-23d는 예시적인 헤드-플레이트 어댑터의 개략도.
도24a-24g는 예시적인 내부 플랜지된 링의 개략도.
도25a-25e는 예시적인 스핀들 샤프트의 개략도.
도26a-26g는 스핀들 샤프트 및 로터리 결합체 도관의 부분들의 대표적 단면도의 개략도.
도27a-27b는 예시적인 터릿 구동 스프로켓의 개략도. 및
도28a-28b는 예시적인 스핀들 키의 개략도이다.
따라서, 본 발명은, 기판의 전체 표면에 대하여, 기판의 에지 부근에서의 기판의 연마 균일성을 향상시키며, CMP 공정 중에 반도체 웨이퍼의 균일성을 향상시키는 데 특히 적합한, 연마장치 및 쓰리-챔버형 연마 헤드 구조 및 방법을 제공한다.
일 측면에서, 본 발명은, 반도체 웨이퍼 연마 장치에서 웨이퍼 등과 같은 기판의 환형 영역 상부의 연마 압력을 제어하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 웨이퍼로부터 제거되는 물질에 작용하도록 연마 패드에 대항하여 웨이퍼 상에 가해진 제1 압력을 제어하고; 연마 패드가 웨이퍼의 주변 에지에서 웨이퍼와 접촉하는 방법으로 작용하도록 하기 위하여, 상기 연마 패드에 직접 대항하여, 상기 웨이퍼와 동심으로 배치된 리테이닝 링 상에 가해진 제2 압력을 제어하고; 그리고 상기 환형 영역 근처에서의 제1 및 제2 압력에 변화를 주기 위하여 상기 웨이퍼의 외부 환형 에지 및 상기 리테이닝 링의 내부 환형 영역 근처의 소정의 환형 영역 내부에 가해진 제3 압력을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 제1, 제2, 및 제3 압력 각각은 독립적으로 다른 압력을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 구조는, 연마동작 중에 기판 장착면 상에 상기 기판을 보유하기 위하여 원형이고 외부 직경을 포함하는 회전가능한 서브-캐리어; 상기 서브-캐리어와 동심으로 배치되는 내부직경을 가지고 연마동작 중에 기판 장착 표면 상부로 연장되는 회전가능한 리테이닝 링; 상기 서브-캐리어 및 상기 리테이닝 링을 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징; 상기 리테이닝 링, 상기 서브-캐리어, 및 상기 하우징 간에 소정의 상대 운동을 허여하는 한편 제1 위치에서의 상기 리테이닝 링, 상기 서브-캐리어 및 상기 하우징 각각을 결합하기 위한 제1 격판; 상기 리테이닝 링 및 상기 서브-캐리어 간에 소정의 상대 운동을 허여하는 한편 제2 위치에서의 상기 리테이닝 링 및 상기 서브-캐리어를 상기 하우징에 결합하기 위한 제2 격판을 포함하는 기판 연마용 쓰리-챔버 연마 헤드를 제공한다. 여기서, 상기 서브-캐리어, 상기 하우징의 제1 위치, 상기 제1 및 제2 격판은 제1 압력 챔버를 형성하고; 상기 서브-캐리어, 상기 하우징의 제2 위치, 제1 및 제2 격판은 제2 압력 챔버를 형성한다. 상기 제1 격판 및 제2 격판을 결합하고, 상기 서브-캐리어 외부 직경 및 리테이닝 링 내부 직경 근처의 제3 압력 챔버를 형성하는 부재가 또한 제공된다. 상기 제1 챔버, 제2 챔버, 및 제3 챔버는 압력에서 서로로부터 격리되어 있고, 상기 제1, 제2, 및 제3 챔버 각각 내에서의 압력이 개별적으로 제어가능하도록 각각 가압 유체 소스에 결합된다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 구조 및 방법은, 공정 중에 기판을 보유하기 위하여 원형이고 외부 직경을 포함하는 회전가능한 서브-캐리어; 원형이며 상기 서브-캐리어와 동심으로 배치되는 내부직경을 가지는 리테이닝 링; 및 상기 서브-캐리어 및 상기 리테이닝 링 사이의 계면의 어느 한측 상에 소정의 간격으로 형성된 환형 영역을 구비하는 기판 연마용 쓰리-챔버 연마 헤드를 제공한다. 제1 챔버는, 상기 서브캐리어에 제1 압력을 가하고 그리하여 연마 중에 연마 패드에 대항하여 상기 기판에 제1 압력을 가하기 위하여 상기 서브캐리어 근처에 배치되고; 제2 챔버는, 연마 중에 상기 연마 패드에 대항하여 상기 리테이닝 링에 제2 압력을 가하기 위하여 상기 리테이닝 링 근처에 배치되고; 그리고 제3 챔버는, 상기 기판의 환형의 주변영역의 연마에 영향을 주도록 상기 리테이닝 링 및 상기 서브캐리어 사이의 계면 근처의 영역에 제3 압력을 가하기 위하여 상기 환형영역 근처에 배치된다.
본 발명의 구조 및 방법은, 도면을 참조로 한 바람직한 실시예들을 기초로 이하에 설명될 것이다.
도1을 참조하면, 상부에 회전가능한 연마면이 장착되고 연마 패드 또는 다른 연마면이 부착된 지지구조를 포함하는 연마장치가 도시되어있다. 상기 연마면을 패드와 함께 회전시키기 위하여 전기모터 또는 다른 수단에 의해 상기 연마면이 회전된다. 상기 연마장치는 또한 두 주성분을 구비한 연마기 헤드 어셈블리(40), 스핀들 어셈블리(120), 및 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100)를 포함한다. 연마장치의 일반적인 구조는 이 기술분야에서 공지되어 있으므로 상세하게 설명되지 않을 것이며, 본 발명의 연마기 헤드 어셈블리(40), 특히 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100) 및 스핀들 어셈블리(120)의 발명적 측면에 대한 이해와 관련한 경우만 설명될 것이다.
먼저 본 발명의 전체 구조, 동작, 구성 및 효과를 더욱 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 연마 헤드(40)의 특별한 실시예의 관점을 기술하겠다. 그 이후 상기 본발명의 헤드 및 연마 방법의 특별한 구성성분의 구조 및 동작이 상세한 도면과 관련하여 기술될 것이다.
이중 격판 쓰리 챔버형 설계를 가지는 본 발명의 구조의 제1 실시예가 도2의 개략도를 참조로 하여 설명될 것이며, 그것은 상기 예시적인 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100) 및 연마 헤드 어셈블리(40)의 반을 도시하고 있으며, 나머지 반 부분은 상기 스핀들 축에 관하여 대략 대칭이다. 두 1차 서브시스템, 연마기 헤드 어셈블리(40)는 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100) 및 스핀들 어셈블리(120)를 포함한다. 어떤 경우, 용어"헤드"는 이 기술에서 "캐리어"와 동일하게 사용되고, 용어"서브-캐리어"는 웨이퍼가 부착되거나 보유되는 장치의 부분을 의미한다는 것을 유념해야 한다. 연마기 헤드 어셈블리는 연마장치(52)의 나머지 부분에 차례로 장착되고, 그러한 1이상의 연마 헤드 어셈블리를 포함한다. 용어 연마 헤드, 연마기 헤드, 연마 헤드 어셈블리, 및 연마기 헤드 어셈블리는 본 상세한 설명에서 동시에 사용될 것이다. 용어 스핀들 어셈블리 및 스핀들도 또한 본 상세한 설명에서 동시에 사용될 것이다.
웨이퍼 캐리어 어셈블리(100)의 상부 하우징(115)의 표면(201)은 캡 스크류(203) 또는 다른 고정부 또는 고정수단을 통하여 어댑터(114)를 장착하고 있는 스핀들 어셈블리(120)에 장착된다. 스핀들 어셈블리(120)는, 전기 또는 수압 모터 등과 같은 외부 회전력 제너레이터(203)로부터 회전력을 상기 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100)에 결합시키는 수단, 스톱 소스로부터 상기 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100)로의 그리고 더욱 상기 연마 헤드 어셈블리(40)로의 1이상의 유체를 상기 웨이퍼 캐리어 어셈블리(100)에 결합시키거나 또는 유통하도록 하는 수단을 구비한다. 이하에 기술된 바와 같이, 상기 유체는 물 (이온제거수 또는 DI수 포함) 및 공기 또는 다른 기체들을 포함하며 이에 제한되지 않는다. 상기 유체(액체 또는 기체)는 연마 장치의 주변 압력에 비하여 양의 또는 음의 압력 상태에 있다. 이러한 상황에서, 진공은 음의 압력으로서 고려된다. 로터리 결합체(206)가 캐리어 어셈블리(100)에 유체를 결합시키기 위하여 제공된다. 하나의 예시적인 로터리 결합체(206)가, 이하에 참증으로서 병합되는 미국 특허 제5,443,416호에 기술된다. 예시적인 5채널 로터리 결합체 및 본 발명의 스핀들 어셈블리의 일 실시예에 관련한 로터리 결합체가 도4에 개략적으로 도시된다.
상부 하우징(115)은 이미 기술된 바와 같이 장착 어댑터(114)에 연결되고, 캐리어 어셈블리의 다른 구성성분들이 장착되거나 또는 매달려 있는 단단한 메인본체를 제공한다. 상부 하우징(115)은 외부 상단면(207), 외부 측면(208), 바닥면(209), 및 내부면(210)을 가지며, 그것은 챔버의 형성을 용이하게 하고 다른 소자를 장착하기 위한 장착면들을 제공하기 위한 평면, 오목면 및 볼록면의 영역들을 가지며, 뿐만 아니라 이하에 기술된 바와 같이, 스핀들 어셈블리로부터 웨이퍼로의 회전운동을 수용하여 부여하기 위한 대체로 단단한 구조를 제공한다. 하우징 밀봉 링(113)은 스크류(211) 또는 다른 고정부를 통하여 상부 하우징의 내부면(210)에 장착된다. 상기 하우징 밀봉 링(113)은, 제1 및 제2 챔버 (챔버1 및 2) 사이에 임의의 가능한 유체 또는 압력 누설 및 상기 스크류(211)를 통한 헤드 외부의 누설을 없애기 위하여 상기 장착면 상에 두 개의 O-링(326, 327)을 가진다. 리테이닝 압력 챔버(2)로의 압력은 하우징 밀봉 링(113) 내에서 니플 연결부를 통하여 제공된다.
바람직하게는, 상기 하우징 밀봉 링(113)은 스크류(211)를 경유하여 상기 외부 상단면을 통하여 부착되어 상기 하우징 캐비티(212) 내에서 하우징 밀봉 링(113)으로부터 매달린 캐리어 어셈블리 소자의 조립 및 해체를 용이하게 한다. 상기 상부 하우징의 형상은 바람직하게는 내부 체적을 최소화하도록 선택되었고,그럼으로써 압력이 변화할 경우 더욱 빠른 시간 내에 응답할 수 있도록 한다.
제1 격판(110)은 상기 내부의 상부 하우징 면(210)에 장착된 면의 반대편의 하우징 밀봉 링(113)의 하부면에 장착된다. 리테이닝 링 어셈블리(104, 116) 및 서브-캐리어(101)의 대체로 마찰없는(저마찰) 수직운동을 허여하는 한편 동시에 상기 3개의 챔버들 사이에 압력 분리를 제공한다. 제1 격판(110)은 또한 리테이닝 링 어셈블리 및 서브-캐리어에 대한 토크 전가를 제공한다. 평평한 또는 대략 평평한, 유연성 격판이 상기 바람직한 구조인 한편, 금속 또는 폴리머 벨로우즈. 아코디언층, 또는 성형된 패쇄 폴리머 튜빙 등과 같은 다른 유연성 소자들이 상기 연결수단으로서 선택적으로 사용될 수 있다.
스테인레스 스틸, 스테인레스 스틸 합금, 적당한 부식 저항 및 기계적 안정성을 가지는 다른 금속 합금, 및 폴리머 물질, 예를 들면 실리콘 러버를 포함하는 폴리머 물질 등과 같은 물질들이 상기 격판에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 평평한 격판이 사용되는 경우, EPDM(FAIRPRE DX-0001), Nitrile(FAIRPRE BN-5309), 또는 연장된 PTFE(INERTEX) 등과 같은 물질로 제조되는 것이 유효하다. 벨로우즈 구성이 사용된다면, 스테인레스 스틸, 스테인레스 스틸 합금 등과 같은 물질이 사용되는 것이 유효하다. 상기 평평한 격판은 바람직하게는 벨로우즈 보다 더 우수한 기능성을 제공하고 제조 및 조립 비용이 더 낮으므로 바람직하다.
제1 격판(110)에 의해 제공된 한 중요한 기능으로는, 그것이 상부 하우징(115)으로부터 내부 플랜지된 링(107) 및 외부 플랜지된 링(108)으로 회전 토크를 전달하며 동시에 서로 독립적으로 각각 플로우트하도록 한다는 것이다. 이 설명에서, 용어 "플로우트"는, 가해진 압력의 효과에 반대되는 격판에 장착된 소자들 사이의 최소 구속(기계적)력 또는 마찰력임을 의미하는 것으로 사용된다. 이 소자들은 수직방향(위/아래)에서 최소의 반대되는 힘으로 이동하지만, 그 회전평면(수평)에서 반드시 견고히 유지된다. 플로우팅도 또한 어느 정도 최소이지만 충분하도록 하고, 가공되는 웨이퍼 표면 상에 정렬된 임의의 축에 관한 각 변화가 처리된다. 이 출원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "플로우트"는 또한 액체의 표면 상에서의 부유물 처럼 이동하는 것을 포함한다. 즉, 플로우트는 상기 연마 패드에 관하여 상하 수직방향으로 이동하는 능력을 포함하며, 그리하여 수직위치 차는 상기 웨이퍼 연마 패드 계면에서 유동하는 가상선을 따라 통과하는 임의의 축에 관하여 경사지거나 또는 각 변화를 겪는 능력뿐만 아니라 어떠한 바인딩 또는 저항 없이 수용될 수 있다. 웨이퍼 등과 같은 기판은 물의 표면 상에서의 부유물 처럼 떠있게 된다. 평평한 격판 또는 박막 및 유연성 벨로우즈는 둘다, 최소의 수직 대항력 및 회전 평면에 견고한 토크 전달을 제공하며, 평평한 박막은 더욱 바람직한 간단한 방법이다. 특별한 응용의 경우, 즉 두 챔버형 설계의 경우, 단일의 격판 또는 연결수단이 상기 리테이닝 링 용으로 그리고 상기 캐리어(서브-캐리어)용으로 필요하다.
제2 격판(106)은 또한 서브캐리어 압력 챔버(1) 및 상기 리테이닝 링 압력 챔버(2)로부터 "에지 압력" 챔버를 분리시키는 역할을 한다. 상기 플로우팅 서브캐리어 및 리테이닝 링 어셈블리들은 상기 고체 링(109)에 의하여 링(113)에 장착된다. 소자(109) 상의 립은 기계적 스톱의 역할을 하며, 상기 리테이닝 링 어셈블리(104, 116) 및 상기 서브캐리어 어셈블리(101)가 "내" 또는 "외"로 이동할 수 있는 범위를 제한한다. 두개의 "C" 단면 고체 장착 링(108, 119)은 두 개의 평평한 링 어셈블리(111, 112)에 의하여 제1 격판(110)에 장착된다. 이 평평한 링 어셈블리는 압력 밀폐 실을 달성할 것이고 상기 제1 격판에서 상기 제1, 제2 및 제3 챔버(챔버(1, 2 및 3))를 분리시킨다. 압력(또는 진공)이 소자(119)에서 니플 연결을 통하여 제3 챔버(챔버(3))에 가해진다.
제2 격판은 외부하우징(115) 및 실링 링(105)에 장착되어 압력 밀폐 실을 형성할 것이고 제2 격판의 외부 에지를 적소에 유지하는 방법을 형성할 것이다. 상기 서브캐리어는 고체 링(103)을 통하여 C링에 장착된다. 이 연결은 제2 격판(106)의 내부 에지를 포함하며, 상기 제1 및 제3 챔버 사이의 분리를 위하여 압력 밀폐 실을 제공한다. 링(103)은 개스킷(102)을 통하여 상기 서브캐리어(101)에 장착되고, 웨이퍼 픽업 홀(308)에 누설 밀폐 실을 제공한다. 진공, 물 및 가스 압력은 상기 서브캐리어(101)에서 상기 니플(234)을 통하여 홀 어레이(308)에 제공된다. 이리하여, 상기 홀 어레이(308)는, 실리콘 웨이퍼용 진공 픽업, 웨이퍼 해재 용의 가스 압력 방법, 및 작은 홀로부터 슬러리 또는 다른 물질을 제거하기 위한 물 플러쉬 역할을 한다. 제1 격판(110), 제2 격판(106) 및 C단면 링 어셈블리(119)의 조합이 장착링(113)에서 상기 서브캐리어를 메인 하우징(115)에 장착시킨다.
상기 리테이닝 링 어셈블리(104, 116)는 C단면 링(108)을 통하여 제2 격판(106)에 장착된다. 이 연결은 제1 및 제2 챔버들(챔버(2 및 3)) 사이의 압력 분리 구성으로 역할한다. C단면 링(108)은 상기 리테이닝 링 어셈블리를 제1격판(110)에 연결시킨다. 링(113) 내에서 니플 연결을 통하여 챔버(2)에 양 또는 음의 압력을 적용하는 것은 서브캐리어(101)에 관한 상기 리테이닝 링 어셈블리의 독립적인 동작을 허여하도록 한다. 상기 리테이닝 링 어셈블리 용의 두 개의 링(104 및 116). 링(104)은 C링(108)에 연결되고, 챔버(2 및 3) 사이의 분리 실을 형성한다. 링(104)은 바람직하게는 스테인레스 스틸로 제조되지만, 알루미늄 또는 티타늄 등과 같은 다른 금속, 또는 세라믹 물질 또는 폴리머 물질이 이 링을 구성하는데 사용될 수 있다. 상기 리이닝 링(116) 자체는 폴리머로 제조된다; 그러나, 공정에 따라, 금속 또는 세라믹으로 제조되거나 여러 가지 폴리머 물질로부터 제조될 수 있다. 리테이닝 링 어셈블리(104, 116)는 플래튼(256)과 접촉하는 면이, 특별한 연마, CMP, 또는 다른 기판 연마 적용에 따라, 그 폭이 변화한다. 마찬가지로, 플래튼 면(256)은 상기 연마 동작과 함께 플래튼 패드 조절에 영향을 주기 위하여 다이아몬드 입자 등과 같은 연마 물질을 전적으로 또는 부분적으로 포함한다. 웨이퍼 표면 하부의 그리고 상기 서브캐리어(101) 및 상기 리테이닝 링(116)) 사이의 영역에는, 상기 어셈블리 내의 배출구를 통하여 외부 하우징 대기로 배출되도록 하는 배출구가 형성되도록 하는 것이 유효하다. 이 구성은 상기 구성으로부터 제거 될 수 있는 한편, 상기 플래튼(256) 및 연마될 웨이퍼 사이의 트랩된 임의의 공기를 제거하기 위하여 제공되는 것이 바람직하며, 그렇게 함으로써 공정 예측 가능성 및 균일성을 개선할 수 있다. 리테이닝 링 어셈블리의 유효한 구성으로는, 리테이닝 링이 상기 하우징 링(105) 및 스크류 유지 링(116)을 상기 장착 링(104)으로 이동시킴으로써 수리 및 변화될 수 있다는 것이다.
설명된 실시예에서, 제1 격판(110)은 상부면 상의 외부 스톱 링(112) 및 하부면 상의 외부 플랜지된 링(108) 사이에 그리고 상부면 상의 내부 스톱 링(111) 및 하부면 상의 내부 플랜지된 링(108) 사이에 샌드위치된다. 여기서 상기 용어 "내부" 및 "외부"는 각각 상기 스핀들 샤프트 회전 중심라인에 관하여 이 환형 구조의 반경 위치를 말한다.
내부 및 외부 플랜지된 링(107, 108) 각각은, 환형의 I빔형 구조 방식으로 구조 강도 강성을 제공하기 위하여, 동시에 질량, 무게, 및 관성을 최소화하기 위하여, 그리고 인접한 구조에 접착하기 위한 면을 제공하기 위하여, 대략 C형 또는 U형 구조를 가진다. 그러나, 일반적으로 다른 내부 및 외부 플랜지된 링(107, 108)은, 비록 실행에 희생이 발생한다 하더라도, 고체의 환형 바를 포함하여 서로 다른 프로파일을 가질 수 있다.
하부의 외부 플랜지된 링(108) 면(221) 및 하부의 내부 플랜지된 링(107) 면(221)은 제2 격판(106)의 상부면(228)에 차례로 장착된다. 제2 격판(106)은, 서브캐리어 어셈블리(230) 및 리테이닝 링 어셈블리(250)를 각각의 내부 및 외부의 환형 영역에 장착하고, 상기 서브캐리어 어셈블리(250)가 일반적으로 비록 반드시는 아니지만 상기 환형 리테이닝 링 어셈블리(230) 영역 내에만 배치된다. 본 발명의 리테이닝 링은, 다른 구성들 사이에서, 웨이퍼 상에서 또는 웨이퍼에 대항하여, 리테이닝 링 상에서 또는 리테이닝 링에 대항하여, 상기 웨이퍼 및 상기 리테이닝 링 사이의 계면 상에서 또는 계면에 대하여 하방의 힘(압력)을 독립적으로 제어한다. 웨이퍼는 웨이퍼 서브캐리어(101)의 정면(237)에 대해서 유지된다고 기억하자.
제2 격판(106)은 여러 가지 기능의 원인이 된다. 첫째, 제2 격판(106)은, 스핀들 어셈블리(120)로부터 상부 하우징(112)에 의해 먼저 수용되고 여러개의 중간 구조들(예를 들면, 하우징 밀봉 링(113), 내부 플랜지된 링(107), 및 외부 플랜지된 링(108)을 통하여 제2 격판(106)으로 전달된 회전 토크를 서브캐리어 어셈블리(230)에 (그리하여 상기 서브캐리어 어셈블리에 장착될 때 웨이퍼로) 그리고 리테이닝 링 어셈블리(250)에 전달한다. 둘째, 제2 격판(106)은, 웨이퍼 서브캐리어(101)(서브캐리어 어셈블리(230)의 소자) 및 리테이닝 링(116) (리테이닝 링 어셈블리(250)의 소자) 사이의 측방 또는 이 경우 반경방향 또는 환형의 분리를 유지시키며, 한편 상기 서브캐리어(101) 및 리테이닝 링(116) 각각을 회전가능한 연마표면(132)에 장착된 연마 패드에 대해 독립적으로 유동하도록 한다. 두 격판은 세 개의 압력 챔버의 분리를 제공하고 리테이닝 링 어셈블리 및 서브캐리어를 "플로우트"하도록 한다. 챔버(2 및 3) 내의 압력은 스핀들 포트를 통하여 독립적으로 적용된다.
이하에 기판을 처리하기 위한 전형적인 절차를 간단히 검토하겠다. 첫째, 상기 웨이퍼는 진공홀(308)에 가해진 진공과 함께 상기 헤드 로드 메커니즘(HLM)으로부터 상기 서브캐리어로 전달된다. 이 HLM 및 HUM은 일반적으로 이 기술분야에서 공지된 바와 같이 로봇식의 웨이퍼 조종 장치에 의해 제공되며 여기서 추가로 설명되지 않을 것이다. 이하에, 캐리어 어셈블리는, 공급된 소정의 슬러리 물질로 코팅 또는 젖게된 플래튼 패드와 접촉한 상태로 배치된다. 셋째, 제1 압력(압력(1))이 챔버(1)에 가해지고 제2 및 제3 압력(압력(2 및 3))은 챔버(2 및 3)에 가해진다. 이 압력은 상수이거나 또는 연마 사이클 동안 독립적으로 변화될 것이다. 결과적으로, 제1, 제2, 및 제3 압력(양 및 음)이 독립적으로 제어된다. 웨이퍼의 표면에서 트랩된 임의의 에어는 상기 리테이닝 링 어셈블리를 통하여 배출된다. 넷째, 상기 연마, 평탄화, CMP, 또는 다른 처리 사이클이 일정 시간동안 계속된다. 다섯째, 상기 연마 사이클의 끝에, 상기 플래튼 표면으로부터 웨이퍼를 제거하기 위하여 상기 제1 챔버(챔버(1))에 진공이 형성되고 상기 연마작용을 정지한다. 동시에, 웨이퍼를 적당히 포착하기 위하여 압력은 상기 리테이닝 링에 남겨져 있다. 여섯째, 상기 웨이퍼는, 상기 서브캐리어 내의 진공-압력 홀에 압력을 적용함에 의하여 헤드 언로드 메커니즘(HUM)으로 이송된다. 웨이퍼가 HUM으로 배출되면 즉시, 물이 상기 리테이닝 링(116) 및 상기 서브캐리어(101) 사이의 영역으로 별개로 주입되어, 임의의 축적된 슬러리 또는 웨이퍼 파편 영역을 세척한다. 마지막으로, 소정의 시간 기간 끝에, 물은 꺼지고, 상기 캐리어가 또다른 웨이퍼를 픽업하기 위하여 HLM에 배치되고, 상기 사이클이 반복된다.
추가로 도2 및 3을 추가로 참조하면, 서브캐리어(230)가 서브캐리어(101), 서브캐리어 가스킷(102) 및 서브캐리어 링(103)을 포함한다. 일 실시예에서 원추형 스크류(232) 등과 같은 다양한 고정부는 서브캐리어 링(103)을 샌드위치된 중간 서브캐리어 가스킷(102)로 서브캐리어(101)에 부착시킨다. 상기 고정부(234)는, 유체 및/또는 압력이 웨이퍼 서브캐리어(101)의 정면(237) 상의 1이상의 홀 또는 개구(236)로 또는 그로부터 이송되거나 연통될 수 있도록 유체 및/또는 압력이 상기 고정부(234)에 결합되는 방식으로 상기 서브캐리어(101)에 장착된다. 서브캐리어(101) 내의 튜빙 고정부(234)는, 진공, 가스압력, 또는 물이 상기 서브캐리어(101)의 정면(27)의 에지 상에 열려있는 진공/압력 홀(236)을 향하도록 한다. 일 실시예에서, 고정부(234)는, 상기 서브캐리어(예를 들면, 스테인레스 스틸 또는 다른 금속 서브캐리어가 사용되는 경우) 내의 나사홀 내로 상기 고정부를 나사결합시킴으로써, 상기 서브캐리어(예를 들면, 세라믹 기판 내로 삽입되고 그 기판에 접착 또는 본드된 나사 스테인레스 스틸)에 부착된 나사 삽입부를 사용함으로써, 또는 (예를 들면, 세라믹 서브캐리어가 사용되는 경우) 접착제를 사용함으로써 상기 서브캐리어(101)에 고정된다. 상기 고정부는, 물 또는 가스 등과 같은 유체가 스핀들 로터리 결합체(270)를 경유하여 유체 소스로부터 연통될 수 있도록, 상기 고정부의 일특을 튜브 또는 다른 유체 도관과 연결시키기 위한 관통홀 및 니플 또는 다른 수단을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고정부는 진공(수은주 약 25인치의 진공 등과 같은), 물(약 12psi의 물 등과 같은), 및 에어 또는 다른 가스(약 25psi의 압력에서)를 수송할 수 있고, 상기 서브캐리어 개구는, 상기 웨이퍼 에지에 대해 임의의 잠재하는 기계적 변형을 최소화할 수 있도록 크기가 정해진다. 홀 내에서 그러한 변형은 지나치게 크거나 또는 너무 많은 홀들이 제공되면 발생할 수 있다. 일 실시예에서 상기 서브캐리어 개구(236)는 약 0.005인치 직경의 홀이지만, 만약 변형을 발생시킬만큼 지나치게 크지만 않다면 더 크거나 더 작은 홀들이 사용될 수 있다. 홀들은 슬러리 또는 웨이퍼 연마 파편으로 방해되지 않는 충분한 크기를 가져야 한다. 상기 홀들의 물 및/또는 에어 수세는, 방해하지 않는 작은 직경의 홀들을 사용함으로써 원조될 수 있다. 상기 서브캐리어(101)의 상기 서브캐리어 뒤쪽(239)(웨이퍼 장착면으로부터 떨어진 측) 및 내부 하우징 표면(210) 사이의 캐비티(238)는 상기 서브캐리어(101)의 이동을 방해함 없이 이 튜빙 및 다른 튜빙에 대하여 충분한 체적 공간을 제공한다.
상기 서브캐리어 어셈블리(101)는 단일 조각으로부터라기보다는 오히려 가스킷(102)에 의해 분리되는 서브캐리어(101) 및 서브캐리어 링(103)으로부터 형성된다. 상기 가스킷(102)은 진공/압력 홀(236)에 압력분리를 제공한다. 서브캐리어 링(103)은 제2 기판(106)을 위한 실링면 및 서브캐리어(101)를 C링(119)에 견고히 장착하는 메커니즘을 제공한다.
리테이닝 링 어셈블리(250)는 내부(253) 및 외부(254) 측벽들, 및 상부(255) 및 하부(256) 면들과 함께 일반적인 장방형 환형 링 전체 복합 구조를 가지고, 리테이닝 링 어댑터(104), 리테이닝 링(116), 및 리테이닝 링(116)에 부착되거나 또는 그와 일체로 형성된 선택적 마모면(251)을 포함한다. 상기 측벽 및 상부면 각각은 추가의 이점을 제공하는 표면 구조를 가진다. 상기 마모면은, 상기 웨이퍼의 에지로부터 떨어져 리테이닝 링의 에지까지 발생하는 "에지" 연마 효과를 동요시켜서 그러한 에지 효과가 연마 균일성을 저하시키지 않도록 하기 위하여, 하부의 리테이닝 링 면(256)에 선택적으로 제공된다. 일 실시예에서, 마모면(251)은, 비록 더 두껍거나 더 얇아질 수 있기는 하지만, 그 두께가 약 2mm 및 약 5mm 사이 값이고, 그리고 일 실시예에서, 세라믹 또는 폴리머 물질로 제조된다. 배출 스크류(252)가 또한 리테이닝 링 어댑터를 측벽(254)을 통하여 리테이닝 링(116)에 고착시키기 위하여 제공되며, 하지만 관통공 등과 같은 다른 배출 수단이 선택적으로 제공될 수 있다.
리테이닝 링 어댑터(104)는 나사 캡 스크류(258)에 의하여 외부 플랜지된 링(108)에 부착되며, 하지만 다른 형태의 스크류 또는 고정 수단이 리테이닝 링(116)에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 리테이너 링 어댑터(104)는 패시베이트된 316/316L 스테인레스 스틸로 제조되며, 여기서 패시베이션은 MIL QQ-P-35 Type II 스탠더드에 따른다. 리테이닝 링(104)은 TECHTRONTMPPS(폴리프로필렌 황화물)로 제조된다. 바람직하게는, 나사 스크류가 상기 리테이닝 링(116)을 리테이닝 링 어댑터(104)에 부착시킬 수 있도록 하기 위하여, 스테인레스 스틸 또는 다른 내 부식성 물질 나선형 나사 삽입부(258)가 홀(259)을 통하여 상기 리테이닝 링 내에 부착된다.
본 발명의 일 실시예에서, 배출 스크류(252)는 유효하게는 상기 리테이닝 링 어셈블리(250)의 두 소자를 연결시키는데 사용된다. 상기 서브캐리어 어셈블리(230) 및 리테이닝 링 어셈블리(250) 사이의 갭(318)이 배출홀(319) 또는 다른 배출 수단을 통하여 배출구를 형성하지 않는 한, 공기 거품이 상기 갭 내에서 발달하는 것이 가능하고, 그것은 연마 공정 중에 상기 뒤쪽 웨이퍼 면(305b) 및 외부 웨이퍼 서브캐리어 면 사이의 웨이퍼 하부로 퍼질 수 있다. 이러한 공기 버블의 존재는 연마 공정의 비균일성 및 제어 처리의 부족을 야기한다. 상기 배출 스크류는 갭으로부터 트랩된 에어를 리테이닝 링 어셈블리의 외벽 및 하부 하우징(105)의 내벽 사이의 영역으로 탈출할 수 있도록 하고, 여기서 작은 양의 에어의 탈출은 연마작용에 영향을 미치지 않는다. 추가로, 배출홀이 하우징 내에 있기 때문에, 연마 슬러리 오염이 최소로 유지된다.
상기 캐리어 어셈블리(100)는 또한 두조각의 리테이닝 링을 가진다. 실제 리테이닝 링(116)은, 웨이퍼 및 연마 헤드를 포함하며, 일반적으로 비활성 폴리머 또는 세라믹 물질로 구성되지만, 사실상 연마, 평탄화, 또는 CMP공정과 비교가능한 임의의 물질로 제조될 수 있다. 이 1인치 크기는 예시적이며 본 발명의 절대적인 제한이 아니기는 하지만, 사용되는 가변 환형 치수의 링을 약 1인치의 폭까지 상승시키는 것이 고안 및 제조된다. 이 링은 선택적으로 연마 패드 컨디셔너로서 작동하는 다이아몬드 등과 같은 거친 표면을 가지는 영역을 포함하고 있다. 상기 링(116)은 구동 링 역할을 하는 고체의 외부 플랜지된 링(108)에 장착된 금속 또는 세라믹 링(104) 상에 장착된다. 챔버(302)가 가압될 때, 압력이 상기 리테이닝 링 어셈블리를 상기 메인 연마 패드의 표면으로 제어가능하게 힘을 받도록 한다. 이 제어된 리테이닝 압력 링은, 통상의 캐리어-플래튼 연마 공정에 공통인 에지효과를 최소화하는 역할을 한다.
이용가능한 비활성 링(116) 재료중에서, 폴리프로필렌 황화물 물질이 여러 가지 이유로 하여 유리하다. 첫째, 어떤 물질에 부식할 수 있는 통상의 CMP 연마 슬러리에 대하여 불활성이다. 그렇기 때문에, 세라믹 물질, 스테인레스 스틸, 인바르, 또는 다른 통상의 웨이퍼 서브캐리어(101) 물질 중 어느 하나로부터 제조된 서브캐리어에 대하여, 폴리프로필렌 황화물 물질은 우수한 자기윤활성의, 상대적으로 마찰이 없는, 마모면을 제공한다. 두조각 링의 이점은, 약간 마모된 링(116)이 통상의 구조에서 일반적으로 필요한 것처럼 전체 캐리어 어셈블리의 해체없이 교환될수 있다.
그러므로, 단일 조각의 리테이닝 링 어셈블리가 선택적으로 설치될 수 있지만, 두 조각 리테이닝 링 어셈블리(250)가, 금속 리테이닝 링 어댑터(104)의 강도 및 강성, 및 폴리프로필렌 황화물 링의 특수 물질 특성에서 이점이 있고, 또한 다른 이점들이 상기에 기술되어 있다. 선택적인 리테이닝 링(116) 물질은 다른 폴리머 물질, 세라믹, 복합물, 특수한 금속 합금 및 실리콘 탄소화물을 포함할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 연마 패드를 포함하는 표면인 상기 리테이닝 링의 하부면은 외부 환형 반경부로부터 물질을 제거하기 위하여 원하는데로 트림될 수 있다. 임의의 트리밍 이전에, 300mm 실리콘 베이스의 반도체 웨이퍼의 화학 기계적 연마(CMP) 공정용으로 크기가 형성된 연마 헤드에서, 상기 리테이닝 링은 약 25mm의 연마 패드 접촉 폭을 가진다. 그러나, 링은 상기 콘택 폭을 약 10-12mm보다 작은 폭으로 감소시키거나, 또는 약 30mm 이상의 폭으로 증가시키도록 트림될 수 있다. 이 조절능력은 상기 연마공정의 에지효과에 더하여 정밀한 제어를 가능하게 한다. 리테이닝 링(116) 및 웨이퍼 서브캐리어(101)는 상기 반도체 웨이퍼(또는 다른 연마될 기판)가 연마공정 중에 배치 및 보유되는 포켓(270)을 형성한다.
일 실시예에서, 진공 라인에 형성된 웨이퍼 접착 검출 센서는 상기 웨이퍼가 상기 캐리어의 정면 상의 적소에 적절히 배치되는 것을 검출하고 표시하는 것임을 유념하라. 압력 제어 시스템은, 제1, 제2 및 제3 챔버(챔버(1, 2 및 3))에서의 압력의 독립적 제어를 유지하는 세개의 전기 압력 제어 소자로 구성된다. 이 챔버에서의 압력은 진공(약간의 음의 압력)으로부터 약 15psig 양의 압력 범위 내에 있으며, 공정 사이클 동안 변화될 수 있다. 더 큰 압력이 사용될 수 있으나, 일반적으로 필요한 것은 아니다. 압력은 스핀들을 통하여 연장되고 외부 유체 및/또는 압력 공급 또는 소스와 연결시키는 상기 채널을 통하여 독립적으로 가해진다. 개회로 제어 시스템 또는 바람직하게는 피이드백 제어 시스템 중 어느 하나와 관련하여 동작하는 컴퓨터 제어 시스템 등과 같이, 유체 및 압력이 가해진다.
리지(272) 또는 일련의 돌출부를 가지는 록킹 링(109)이 스크류(271) 또늦 다른 고정 수단에 의하여 하우징 밀봉 링(113)에 고정되게 장착된다. 리지(272)는 반경방향으로 내부 플랜지된 링(107)의 외벽면 상에 오목한 환형 리세스(273)를 향하여 내부로 연장된다. 리지(272)의 상기 내부 또는 최소반경은, 리지(272)가 리세스(273) 내에 설비되고 서브캐리어 어셈블리(230)가 정상 연마 위치 내에 있을 때 내부 플랜지된 링(107)에 관하여 자유롭게 이동하도록 리세스의 반경보다 더 크다. 그러나, 리지(272) 및 내부 플랜지된 링(107)은 기계적으로 서로 방해하고, 상기 리지는 상기 연마위치에 관한 소정의 왕복운동보다 더 큰 수직 이동을 위한 서브캐리어 어셈블리(230)의 이송을 한정한다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에서, 리지(272) 및 리세스(273)는, 상기 서브캐리어 어셈블리가 리지 정지 운동 전에 약 3mm만큼 상방으로 이동되고 그리고 약 3mm만큼 하방으로 이동되도록 크기가 형성된다. 물론 일반적으로 1mm 내지 5mm의 다소간의 이동이 제공될 수 있지만, 일반적인 연마 및 CMP 동작으로는 불필요하다. 보통 웨이퍼 로딩 및 언로딩 기능을 제공하기 위하여 ±3mm 이송도 필요하며, 한편 실제 연마 동안 일반적으로 더 작은 이동량이 형성된다. 서브캐리어가 연마 패드 표면으로부터 떨어져 상승될 때, 리지 또는 스톱(272)이 상기 서브캐리어(230)의 중량을 지탱하고 더 적은 정도로 더 작은 리테이닝 링(250) 어셈블리의 중량을 지탱하며, 그리하여 격판 또는 다른 하우징이 캐리어 결합 수단에 과도하게 뻗치지 않게 된다. 마찬가지로, 상기 제2 격판(106)은 리지 스톱(272)에 의하여 상방으로 과도하게 뻗치는 것으로부터 보호된다.
상기 연마 헤드, 특히 상기 서브캐리어 어셈블리의 상기 설명으로부터 상기 서브캐리어가 서로 다른 압력 조합들로 개별적으로 가압될 수 있는 세 개의 독립된 챔버를 포함하거나 또는 형성한다. 이 챔버들로는 서브캐리어 챔버(301), 리테이닝 링 챔버(302), 및 차동 또는 에지 변환 챔버(303)가 있다. 챔버(301)는 서브캐리어(101)의 뒤쪽에 대하여 양 또는 음의 서브캐리어 압력을 제공한다. 챔버(302)는 제2 격판(106)을 통하여 상기 링 어셈블리로 통하는 리테이닝 링 어셈블리(250)에 대하여 양 또는 음의 리테이닝 링 압력을 제공한다. 제3 챔버(303)는 리테이닝 링 어셈블리(250) 및 서브캐리어 어셈블리(230)에 양 및 음의 압력을 제공하며, 그것은 제2 격판(106)의 중앙 환형 영역을 통하여 가해진다. 상기 제3 챔버(303)에 의해 가해진 압력은, 링 어셈블리(250) 및 서브캐리어 어셈블리(230)에 대하여 가해진 압력을 변조하는 차동 압력으로서 해석될 수 있다는 것을 유념하여야 한다.
실제로, 이 차동 압력은 적용지점 바로 근처의 리테이닝 링 및 서브캐리어 상에 더 큰 효과를 가지며 그리하여 상기 웨이퍼의 에지에서 연마시에 탁월한 효과가 얻어진다. 챔버(303)에서 양의 압력의 적용은 결과적으로 상기 리테이닝 링(116)의 최내 반경부 및 서브캐리어(101)의 하부면에 부착된 웨이퍼의 최외각부 사이의 계면에 그리고 계면 바로 근처에 하방의 힘(연마 패드를 향한 힘)이 적용되고, 그리하여 웨이퍼 에지에서의 연마 특성이 달성된다. 실제로, 챔버 내에서의 압력 적용 구조 및 방법은 결과적으로 약 5mm이하 내지 3mm이하의 에지 배제 영역을 축소시킨다. 에지 배제 영역 또는 불균일 연마 또는 평탄화가 발생하는 영역이 웨이퍼의 외부 에지로부터 내측으로 약 5mm까지 연장되는 반경방향 환형 영역이다. 에지 배제 영역은, 허용가능 균일성이 상실된 상기 웨이퍼 에지에서의 환형 링부이다. 현재 당업계는 에지 배제 영역이 약 5mm 만큼 크고 약 3mm 만큼 작다.
이제, 상기 구조에 의하여 제공된 동작 및 기능에 대한 설명, 특히 챔버 내의 압력이 변화할 때 구성요소들 사이의 구조관계에 대한 설명에 유의하겠다. 챔버(301)는 메인 웨이퍼 서브-캐리어에 압력을 제공하고, 그리고 그것은 제1 근사치로 (격판 서스펜션에 의해 허여된 서브캐리어 또는 웨이퍼의 각 이동 또는 경사를 무시하고) 실리콘 웨이퍼(305)의 표면(306)에 연마공정을 효과적으로 하기 위하여 압력을 제공하도록 동작한다. 이 실리콘 웨이퍼 표면(306)은, 그것이 연마되는 공정 및 공정 단계에 따라 실리콘 산화막, 금속, 또는 실리콘 자체일 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼 표면은 반도체 소자의 제조시 공통으로 사용된 실리콘 질화물 등과 같은 다른 물질일 수 있다. 실리콘 웨이퍼 또는 웨이퍼에 관하여 언급되는 경우, 단지 순수 실리콘 물질에 대하여 뿐만 아니라 그 표면에 존재하는 임의의 물질 또는 물질 전체를 포함한다. 서브-캐리어가 대략 마찰 없는 방식으로 이동할 수 있다는 것과, 균일하거나 또는 대략 균일한 압력, 웨이퍼의 표면에 대해 균일한 연마를 실행하기 위하여 공기압 또는 수압을 수용한다는 것은 중요한 사항이다. (챔버(303)의 기능에 관련되어 기술된 바와 같이, 웨이퍼의 에지에 가해진 불균일한 압력 제어는 불균일 에지 특성을 수정할 것이고 실제로 연마 균일성을 향상시킬 것이다.)
챔버(302)는 리테이닝 링(116)에 독립한 공기압 또는 수압을 제공한다. 이 환형 링(116)은 서로 다른 환형 폭을 가지도록 제조되며, 즉, 외부 반경 치수는, 특히 웨이퍼의 에지에서 더욱 큰 균일성을 획득할 수 있도록 하기 위하여 연마 헤드를 조율하도록 변형될 수 있다.
리테이닝 링 물질, 표면 구조, 그리고 치수, 표면 토포그래피, 박혀진 연마재와 같은 특징들은 원하는 결과를 얻기 위해 선택되어질 수 있다. 리테이닝 링 환형 폭 및 리테이닝 링 물질을 현명하게 선택함으로써, 에지 연마 효과는 실제 웨이퍼 에지에 더 많은 영향을 미치거나 덜 영향을 미칠 수 있어서 에지 부분에서 연마되는 물질의 양이 증가되거나 감소될 수 있고 따라서 웨이퍼 에지 부분을 더욱 균일하게 하는 효과가 있다. 긍적적인 효과로는 웨이퍼의 "에지 배제" 영역을 5mm 이하에서 3mm 이하로 감소시킨다는 것이다. 이 링은 또한 연마 공정 중에 웨이퍼를 적당하게 고정시키는 리테이닝 링의 역할을 한다. 리테이닝 링(116)에 하부로 작용하는 압력은 챔버(301 및 302)에 가해지는 압력과 독립적으로 챔버(302)에 압력을 가함으로써 달성된다. 유연성 제2 격판(106)은 수직 방향으로 최소 합성 최소 마찰력으로 챔버(301)와 챔버(302)를 분리시키는 역할을 하고, 동시에 수평면에서 웨이퍼(305) 그 자체에 토크 이송을 제공하며 또한 웨이퍼와 연마 패드 사이의 각 변화를 수용하는 서브캐리어의 각 경사를 가능하게 한다. 폴리페닐렌 황화물이 예시된 실시예에서 사용되는 한편, 다른 허용된(비활성) 금속 뿐만 아니라 세라믹 물질 및 다른 폴리머를 포함하는(제한되지 않음) 다른 물질들이 사용되어 질 수 있다. 각각의 선택된 물질들, 연마 패드와의 환형의 접촉 폭 및 리테이닝 링 어셈블리, 서브캐리어 어셈블리, 연마 헤드의 크기와 다른 구조적인 특징들은 기계적 공명 주파수를 고려해서 고안될 수 있다. 만일 그것이 고려되지 않는다면 연마 균일성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
챔버(303)의 존재와 특성은 본 발명의 구조를 더욱 혁신적인 것으로 만들어 주며, 특히 제3의 압력을 필수적으로 웨이퍼의 에지에만 가함으로써 이루어진다. "차동" 또는 "에지 변환 챔버"(303)의 목적 및 영향은, 약 3mm 이하, 가능하다면 약 0.5mm 정도의 웨이퍼 에지 배제 영역을 얻기 위하여, 웨이퍼(305)의 그 에지에 약간의 압력(보통은 약간의 추가적 연마력이지만 그 구조는 또한 약화된 연마력을 제공한다)을 제공하는 것이다. 상기 제3의 챔버(303)는, 웨이퍼의 연마표면에 최고의 균일성을 부여하기 위하여 연마공정 파러미터에 상당한 유연성을 더한다. 유연성 제1 격판(110)은 수직방향의 최소한의 마찰로 챔버(301 및 302)로부터 차동 또는 에지 변환 챔버(303)를 구분시키는 역할을 한다. 제1 격판(110)은 또한 연마 공정 중 토크를 웨이퍼 서브캐리어(101)로 그리하여 웨이퍼(305)로 효과적으로 이송하는 역할을 한다. 리테이닝 링을 웨이퍼 캐리어 및 하우징에 결합시킨 단일의 유연성 격판의 사용하는 기술, 미국 특허 제5,205,082; 5,527,209; 및 4,918,870호에 기술되며, 이하에 참증으로서 병합된다. 드라이 질소 또는 클린 드라이 에어(CDA)는 또한 연마, CMP, 또는 다른 기판 처리 공정의 마지막 단계에서 웨이퍼 제거 또는 배출 작용을 하는 홀 어셈블리에 가해진다. 그 구조는 또한 그 홀들을 통해 탈이온수의 플러시를 위한 수단을 제공하는 분리된 공급라인에 의해 공급되어는 일련의 개구들을 포함하고 있다.
서브캐리어(101)는 웨이퍼 서브캐리어(101)의 정 측면에 전술한 홀(236)을 제공하도록 구성되어 있는데 그것은 다른 웨이퍼 처리 장치로 또는 그로부터 웨이퍼를 이송하는 중에 웨이퍼가 쉽게 픽업될수 있도록 웨이퍼(305)의 에지에 진공이 가해지도록 하기 위한 것이다. 그 진공 챔버(308)는 웨이퍼 서브캐리어(101)의 뒤쪽에 있는 채널(309)로서 형성되고, 다른 챔버(301, 302, 303) 및 서브캐리어 가스킷(102)을 통하여 주변 분위기로부터 밀폐된다. 스핀들 베이스된 로터리 결합체를 경유하여 구성(234), 채널(309), 웨이퍼 관통홀(236)로의 진공 소스(310)를 포함하는 튜브 결합 유체 소스는 또한 탈이온수를 소통시키는데 사용되고, 그리하여 캐리어(101)로부터 웨이퍼(305)를 효과적으로 제거하기 위하여 연마 사이클의 마지막에 뒤쪽을 플러시하며, 또한 다음 웨이퍼의 수용 및 장착을 위한 준비시 있을 수 있는 여분의 연마 슬러리 또는 물 잔여물이 있는 진공홀(236)을 세척한다.
마찰을 증가시키고 상기 링(116) 및 서브캐리어(101) 사이에 접착하게 되는 갭 내의 슬러리 집합물을 방지하기 위하여 연마 사이클이 완료된 후, 상기 서브캐리어(101)는 선택적이지만 유리한 방법으로서 상기 서브캐리어(101) 및 리테이닝 링(116) 사이에 가는 갭을 통하여 탈이온수 또는 다른 액체 및 유체를 플러쉬하는 수단을 포함한다.
로킹 링(109)은, 서브캐리어의 과다 신장을 방지하기 위하여 또는 진공 중에는 상기 서브캐리어 어셈블리(230)의 과다 수축을 방지하기 위하여 상기 메인 서브캐리어 어셈블리(230)에 대한 기계적 스톱으로 작용한다. 하부 하우징(105)은, 상기 리테이닝 링 어셈블리의 과다한 신장을 피하기 위하여 그 구성요소에 대한 기계적 스톱으로 작용하며 또한 하부 외부 하우징으로 작용한다. 챔버(301 및 302) 사이의 진공 분리 및 압력은, 상부 하우징(115)의 표면에 대해 밀폐된 하우징 밀봉링(113)과 하우징 내부의 상부 표면 사이에 배치된 동심의 이중 O-링 밀봉 링(326, 327)을 통하여 얻어진다.
바람직하게, 챔버(301)의 내부 체적이, 챔버(301)에 진공을 가하거나 또는 챔버(301)에 양의 압력을 가하는데 필요한 반응시간을 단축시키기 위해 축소 또는 최소화된다. 상기 하우징이 다른 캐리어 어셈블리(100) 구성성분과 충돌하지 않는다는 조건하에서, 체적 축소는, 단순히 하우징(105)으로부터의 물질을 제거하지 않음으로써, 그리고 서브캐리어 어셈블리(230)(예를 들면, 내부 플렌지된 링(107) 및 내부 스톱 링(111)) 및 리테이닝 링 어셈블리(250)(예를 들어 외부 플렌지된 링(108) 및 외부 스톱 링(112))의 소자를 상부 하우징(115)의 오목 영역 내로 리세싱함으로써, 그리고 서브캐리어(101)에 더 가깝게 연장시키기 위해 상부 하우징(115)의 다른 영역의 두께를 늘림으로써, 적어도 부분적으로 얻어진다. 이점으로, 다중 챔버 캐리어 어셈블리(100)는 종래의 구조와 비교할 때 상당한 중량 절감을 달성한다.
서브 캐리어의 뒤쪽 형상은 웨이퍼 에지 근처의 영역에서 최소 중량으로 구조 강도를 제공하도록, 그리고 매우 작은 초과 유연성, 실제로는 상기 경직 구조를 매우 작은 양만큼 왜곡하는 힘을 허여하도록 선택된다. 에지에서의 이 작은 유연성은 에지 압력 챔버(3)와 함께 작용한다.
연마 사이클 동안 웨이퍼(305)를 역행시키도록 작용하는, 선택적 연장 수명의 웨이퍼 서브캐리어 삽입부(330)가 선택적으로 설치된다. 연장 수명의 막은 선택적으로, 그러나 바람직하게는, 서브캐리어 표면과 결합된다. 상기 물질은, 그 경도, 표면 마찰 및 내구성을 위하여 선택된 폴리머이다. 서브캐리어 막은 광학적 편평성의 필요에 따라 가공되거나 또는 그밖의 공정으로 처리되어야 한다. 비교적 두꺼운 연장 수명의 막은 종래 구조에서의 막보다 훨씬 더 효과적으로 뒤쪽 또는 웨이퍼에 진공을 제공하기 위하여 적합한 홀이 관통형성될 수 있다.
본 발명의 스핀들 어셈블리(120)는 로터리 결합체를 포함하며 5개의 독립한 유체, 가스 및 압력/진공 회로를 공급하기 위해 고안되었다. 본 발명의 구조는 진공 및 탈이온수 뿐만 아니라 독립적으로 제어되는 압력을 중앙 챔버(301), 리테이닝 링 챔버(302) 및 차동 또는 에지 변환 챔버(303)에 제공한다. 2-포트 로터리 결합체를 가지는 스핀들 어셈블리는 미국 특허 제 5,443,416에 기술되어 있으며, 이것은 여기서 참증으로 병합된다.
도5는 가압된 물 및 진공 뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3의 압력 챔버 내의 압력을 독립적으로 제어할 수 있도록 한 압력제어 시스템(400)의 일 실시예를 도시란 개략도이다. 압력 제어 시스템(400)은 에어 소스/공급장치(402), 진공 펌프/소스/공급장치(404), 및 탈이온수(H2O)의 소스를 포함한다. 이 소스 또는 공급장치들 각각은, 선택적 압력 또는 체적 레귤레이터를 포함하는 제어 밸브를 통하여, 튜빙, 호스, 또는 파이프(420)를 경유하여 로터리 결합체(408)에 결합된다. 예를 들면, 에어 소스(402)는 세 개의 제어밸브(410, 412, 414)를 경유하여 로터리 결합체(408)에 결합된다. 그 각각 또는 그중의 임의의 하나는 선택적 레귤레이터를 가지고, 유사한 방법으로 진공소스(404)가 동일 방식으로 선택적 압력 레귤레이터를 가지는 제4 제어 밸브(416)를 경유하여 로터리 결합체(408)에 결합된다. 최종적으로, 탈이온수의 소스(406)는 제5 제어 밸브(418)을 경유하여 로터리 결합체(408)에 결합되고, 그리고 다시 선택적 압력 레귤레이터를 가지는 것이 가능하다.
로터리 결합체(408)는 이 유체 또는 압력을 수용하고, 이 기술분야에서 공지된 바와 같이 그들을 연마 헤드(426)에 전달한다. 컴퓨터 또는 제어기(430)는 연마장치(426) 내에서 유체 공급장치(402, 404, 406)를 캐로우슬 모터(422) 및 플래튼 모터(424)로 통하도록 하기 위한 I/O 포트(432 및 444)를 가진다. 상기 컴퓨터(432)는 또한 공정(436), 데이터(438), 및 동작 시스템(440)을 저장하기 위한 메모리(434)를 포함한다. 공정(436)은 예를 들면 압력 제어 공정(442)을 포함한다. 디스플레이(450) 및 키보드 및 마우스 등과 같은 유저 입력 장치가 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명의 많은 구성들이 설명되었지만, 이하 본 발명의 구성은 도6-28에 설명된 본 발명의 특별한 실시예에 제시된 바와 같이 설명될 것이다. 이 설명들은 본 구조의 구성성분들을 매우 상세히 보여주기는 하지만, 그 구성 전체가 본 발명에 의해 제시될 필요는 없으며 본 발명의 구성은 이미 설명된 실시예에 관하여 도시및 설명되고 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 기판(일반적으로 반도체 웨이퍼)이 임의의 크기일 수 있기 때문에, 도6-28에 설정된 치수들은 공칭 200mm 웨이퍼에 적용가능하다. 본 설명에 비추어 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자는, 서로 다른 크기의 기판들, 예를 들면 100mm 직경, 300mm 직경, 또는 더큰 직경의 기판 또는 웨이퍼를 설치하기 위하여 상기 구조가 더 크거나 더 작아질 수 있다는 것을 인식하고 있을 것이다.
이 도면들에 관련하여, 도6a-6e는 예시적인 200mm 직경 웨이퍼 연마 헤드용 서브캐리어의 개략도; 도7a-7b는 예시적인 서브캐리어 가스킷의 개략도; 도8a-8c는 예시적인 링의 개략도; 도9a-9d는 예시적인 어댑터의 개략도이고; 도10a-10d는 예시적인 하부 하우징의 개략도; 도11a-11b는 예시적인 제1 격판의 개략도; 도12a-12g는 예시적인 내부 플랜지된 링의 개략도; 도13a-13d는 예시적인 외부 플랜지된 링의 개략도; 도14a-14d는 예시적인 록킹 링의 개략도; 도15a-15b는 예시적인 제2 격판의 개략도; 도16a-16c는 예시적인 내부 스톱 링의 개략도; 도17a-17c는 예시적인 외부 스톱 링의 개략도; 도18a-18d는 예시적인 하우징 밀봉 링의 개략도; 도19a-19e는 예시적인 장착 어댑터의 개략도; 도20a-20c는 예시적인 상부 하우징의 개략도; 도21a-21d는 예시적인 어댑터의 개략도; 도22는 예시적인 막 삽입부의 개략도; 도23a-23d는 예시적인 헤드-플레이트 어댑터의 개략도; 도24a-24g는 예시적인 내부 플랜지된 링의 개략도; 도25a-25d는 예시적인 스핀들 샤프트의 개략도; 도26a-26g는 스핀들 샤프트 및 로터리 결합체 도관의 부분들의 대표적 단면도의 개략도; 도27a-27b는 예시적인 터릿 구동 스프로켓의 개략도; 및 도28a-28b는 예시적인 스핀들 키의 개략도이다.
이 구성 및 다른 구성은 통상의 기술에 대해 많은 이점 및 개선점들을 포함하며, 그러나 그에 한정되지는 않는다. 상기 이점 및 개선점으로서, (1)복수의 독립한 압력 챔버들. 서브캐리어 및 웨이퍼에 대한 압력, 리테이닝 링에 대한 압력, 상기 두 개 사이의 영역에 대한 압력. 상기 서브캐리어에 관하여 양 또는 음의 압력 중 어느 한 압력. (2) 챔버를 분리시키고, 수직 마찰을 감소시키고, 연마용 웨이퍼에 토크를 전달하기 위한 막, 가소성 격판의 사용. (3) 실리콘 연마 및 실리콘 다층 금속 회로 구조 상에 산화막 및 금속막의 평탄화에 대한 캐리어의 적용. (4) 웨이퍼의 영역 내에 불균일성의 원인이 되는 에어의 존재를 없애기 위하여 어셈블리 내에 출구가 형성된 스크류의 사용 -앞 또는 뒤 중 어느 하나. (5) 토크가 구성성분을 이송시키는 경우 밀폐 격판의 사용. (6) 물 플러쉬 및 질소 압력 웨이퍼 해제 메커니즘으로서 이중으로 하는 웨이퍼의 뒤쪽으로의 진공 공급 메커니즘. (7) 신뢰성없는 종래의 삽입부를 제거하기 위하여 서브캐리어의 표면 상에 연장된 수명의 삽입부의 사용. (8) 패드 조절 구성성분을 포함하도록 고안된 링을 포함하는, 리테이닝 링 용의 여러 가지 물질 및 치수를 이용하는 능력. (9) 서브캐리어 및 리테이닝 링 사이의 영역에 물 플러쉬를 자동으로 제공하기 위한 능력. (10) 전체 헤드 (캐리어)의 해체 없이 리테이닝 링을 교체할 수 있도록 하는 두 조각 리테이닝 링 메커니즘. (11) 웨이퍼 처리시 초급속으로 응답하는 어큐뮬레이터의 사용. (12) 광학적 편평도, 특별한 표면 프로파일 및 표면 경도를 획득하기 위하여 스테인레스 스틸로부터 세라믹 및 폴리머 물질을 통하여, 서브캐리어의 제조시 여러 가지 물질을 사용하는 능력. (13) 기본적인 메커니즘에 변화없이 상호변화 가능하게 지오메트리를 변화시키는 리테이닝 링을 사용하는 능력. 다른 발명적 구성은 도면에 도시되고 1이상의 청구범위에 열거된다.
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등과 같은 기판을 연마 및 평탄화하는 방법, 및 제조물, 여기서는 CMP 연마 헤드 및 방법에 의하여 생산된 연마 또는 평탄화된 기판을 포함한다.
본 설명에 비추어 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자는, 본 발명의 연마 헤드 어셈블리가 단일 또는 다중 캐리어 연마 장치에 용이하게 장착된다는 것과, 부유 서브캐리어 및/또는 부유 리테이닝 링 실시예에 관하여 기술됨에도 불구하고 본 발명의 쓰리 챔버의 헤드는, 비록 그 실행이 적절하지 않고 균일한 연마를 달성하는데 더 효과적이지 못하기는 하지만, 다른 서브캐리어 및/또는 리테이닝 링 구조로 사용될 수 있다는 것을 쉽게 인식하고 있을 것이다.
본 명세서에 언급된 모든 공보, 특허, 및 특허 출원은, 각 개개 공보 또는 특허 출원이 참증에 의하여 명확하게 개별적으로 나타내어진 것과 동일한 정도록 참증에 의하여 여기에 병합된다.
본 발명의 특별한 실시예의 전술한 설명이 설명의 목적으로 존재하는 것이다. 그들은, 본 발명을 기술된 그대로의 정확한 형태로 한정하거나 규명하는 것이아니며, 상기의 가르침에 비추어 많은 변형 및 변화가 가능하다는 것은 자명하다. 본 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위하여 선택되었고 설명되었으며, 그럼으로써 이 기술분야의 당업자는, 본 발명 및 다양한 실시예를 가장 잘 이용할 수 있으며, 예측되는 특별한 사용에 적절한 다양한 변형예를 가진다. 본 발명의 범위는 수반되는 청구범위 및 그 등가물에 의해 한정된다.
Claims (22)
- 기판을 연마하기 위한 쓰리 챔버형 연마 헤드이며,연마동작 중에 기판 장착면 상에 상기 기판을 보유하기 위하여 원형이며 외부 직경을 포함하는 회전가능한 서브-캐리어와,상기 서브-캐리어와 동심으로 배치되는 내부직경을 가지고 연마동작 중에 기판 장착면 상부로 연장되는 회전가능한 리테이닝 링과,상기 서브-캐리어 및 상기 리테이닝 링을 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징과,상기 리테이닝 링, 상기 서브-캐리어, 및 상기 하우징 사이에 소정의 상대 운동을 허여하면서 제1 위치에서 상기 리테이닝 링, 상기 서브-캐리어 및 상기 하우징 각각을 결합하기 위한 제1 격판과,상기 리테이닝 링 및 상기 서브-캐리어 간에 소정의 상대 운동을 허여하면서 제2 위치에서 상기 리테이닝 링 및 상기 서브-캐리어를 상기 하우징에 결합하기 위한 제2 격판과,상기 제1 격판 및 제2 격판을 결합하고, 상기 서브-캐리어 외부 직경 및 리테이닝 링 내부 직경 근처에 환형의 제3 압력 챔버를 형성하는 부재를 포함하며,상기 서브-캐리어, 상기 하우징의 제1 부분, 및 상기 제1 및 제2 격판은 제1 압력 챔버를 형성하며,상기 서브-캐리어, 상기 하우징의 제2 부분, 및 상기 제1 및 제2 격판은 제2 압력 챔버를 형성하며,상기 제1 챔버, 상기 제2 챔버, 및 상기 제3 챔버는 압력에서 서로로부터 격리되어 있고, 제1, 제2 및 제3 챔버 각각의 압력이 개별적으로 제어가능하도록 각각은 가압 유체 소스에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제1항에 있어서, 가압된 유체의 소스 및 각각의 챔버 사이에 제1, 제2, 및 제3 제어값으로 개별적인 제어가 달성되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제3항에 있어서, 상기 가압된 유체는 가압된 가스인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 기판을 연마하기 위한 연마 헤드이며,공정 중에 기판을 보유하기 위하여 원형이며 외부 직경을 가지는 서브-캐리어와,원형이며 상기 서브-캐리어와 동심으로 배치되는 내부 직경을 가지는 리테이닝 링과,상기 서브-캐리어 및 상기 리테이닝 링 사이의 계면의 어느 한측 상에 소정의 간격으로 형성된 환형 영역과,상기 서브캐리어에 제1 압력을 가하고 그로 인해 연마 중에 연마 패드에 대항하여 상기 기판에 제1 압력을 가하기 위하여 상기 서브캐리어 근처에 배치되는 제1 챔버와,연마 중에 연마 패드에 대항하여 상기 리테이닝 링에 제2 압력을 가하기 위하여 상기 리테이닝 링 근처에 배치되는 제2 챔버와,상기 기판의 환형의 주변영역의 연마에 영향을 주도록 상기 리테이닝 링 및 상기 서브캐리어 사이의 상기 계면 근처의 상기 영역에 제3 압력을 가하기 위하여 상기 환형 영역 근처에 배치되는 제3 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제5항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제5항에 있어서, 가압된 유체의 소스 및 각각의 챔버 사이에 제1, 제2, 및 제3 제어값으로 개별적인 제어가 달성되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 제7항에 있어서, 상기 가압된 유체는 가압된 가스인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
- 반도체 웨이퍼 연마 장치에서 웨이퍼의 환형 영역 상부의 연마 압력을 제어하기 위한 방법이며,웨이퍼로부터 제거된 물질에 작용하도록 연마 패드에 대항하여 웨이퍼 상에 가해진 제1 압력을 제어하는 단계와,연마 패드가 웨이퍼의 주변 에지에서 웨이퍼와 접촉하는 방법으로 작용하도록 하기 위하여, 상기 연마 패드에 대해 직접 상기 웨이퍼와 동심으로 배치된 리테이닝 링 상에 가해진 제2 압력을 제어하는 단계와,상기 환형 영역 근처에서의 제1 및 제2 압력에 변화를 주기 위하여 상기 웨이퍼의 외부 환형 에지 및 상기 리테이닝 링의 내부 환형 영역 근처의 소정의 환형 영역 내부에 가해진 제3 압력을 제어하는 단계를 포함하고,상기 제1, 제2, 및 제3 압력 각각은 독립적으로 다른 압력을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 기판으로부터 물질층을 제거하기 위한 장치에서, 상기 기판의 환형 영역으로부터 제거되는 물질의 양을 제어하기 위한 방법이며,상기 기판으로부터 제거된 물질에 작용하도록 연마면에 대항하여 상기 기판 상에 가해진 제1 압력을 제어하는 단계와,상기 연마면이 상기 기판의 주변 에지에서 상기 기판과 접촉하는 방식으로 작용하도록 하기 위하여, 상기 연마면에 대해 직접 상기 기판과 동심으로 배치된 리테이닝 링 상에 가해진 제2 압력을 제어하는 단계와,상기 환형 영역 근처에서의 제1 및 제2 압력에 변화를 주기 위하여 상기 기판의 외부 환형 에지 및 상기 리테이닝 링의 내부 환형 영역 근처의 소정의 환형 영역 내부에 가해진 제3 압력을 제어하는 단계를 포함하고,상기 제1, 제2, 및 제3 압력 각각은 독립적으로 다른 압력을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 최소한 두 개의 제1, 제2, 및 제3 압력들이 대략 동일한 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하며, 상기 연마 표면은 연마 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 물질층은 반도체 웨이퍼의 평탄화 중에 제거되는 물질의 박막층인 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 연마 패드를 보유한 베이스부 및 상기 연마 패드 회전 수단, 연마 헤드 어셈블리 및 상기 연마 헤드 어셈블리 회전 수단을 구비하며, 기판을 처리하는 위한 형태의 연마장치이고, 상기 연마 헤드 어셈블리는,공정 중에 기판을 보유하기 위한 서브-캐리어와,상기 서브-캐리어 주위에 배치되는 리테이너와,상기 서브-캐리어 및 상기 리테이너 사이의 계면 영역 주위에 소정의 간격으로 형성된 영역과,상기 서브캐리어에 제1 압력을 가하고 그로 인해 공정 중에 연마 패드에 대하여 상기 기판에 제1 압력을 가하기 위하여 상기 서브캐리어 근처에 배치되는 제1 챔버와,공정 중에 연마 패드에 대하여 상기 리테이너에 제2 압력을 가하기 위하여 상기 리테이너 근처에 배치되는 제2 챔버와,상기 기판의 주변영역의 연마에 영향을 주도록 상기 리테이너 및 상기 서브캐리어 사이의 상기 계면 근처의 상기 영역에 제3 압력을 가하기 위하여 상기 영역 근처에 배치되는 제3 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
- 제17항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하고 상기 처리는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 평탄화를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제17항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하고 상기 처리는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 연마를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제17항에 있어서, 상기 기판은 글래스 기판을 포함하고 상기 처리는 상기 글래스 기판의 표면 연마를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제17항에 있어서, 상기 기판은 투명 기판을 포함하고 상기 처리는 상기 투명 기판의 표면 연마를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제17항에 있어서, 상기 처리는 액정 디스플레이 회로 디스플레이 소자를 형성하기 위하여 글래스 또는 다른 투명 기판 상에 처리 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
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