KR100586018B1 - 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인 및 이를 포함하는 연마 장치 - Google Patents

연마 헤드용 플렉서블 멤브레인 및 이를 포함하는 연마 장치 Download PDF

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Abstract

균일한 압력으로 기판을 가압할 수 있는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인 및 이를 포함하는 연마 장치가 개시되어 있다. 플렉서블 멤브레인은 제1 및 제2 면을 갖는 가압판을 포함한다. 가압판의 제1 면은 기판을 흡착하여 연마 패드에 가압한다. 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면은 연마 헤드의 서포터가 결합되어 공간을 형성하고, 공간으로 기판 흡착을 위한 진공과 기판 가압을 위한 제1 공기압이 제공된다. 연마 헤드의 서포터와 결합되는 구획부재가 가압판의 제2 면 상에 형성되어, 공간을 적어도 2개 이상의 영역으로 구획한다. 공기압 도입부가 구획부재에 형성되어, 공기압 도입부를 통해서 가압판으로 제2 공기압이 제공된다. 기판을 전체적으로 균일한 압력으로 연마 패드에 밀착시킬 수가 있어서, 균일한 두께로 연마할 수가 있다.

Description

연마 헤드용 플렉서블 멤브레인 및 이를 포함하는 연마 장치{FLEXIBLE MEMBRANE FOR A POLISHING HEAD AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
도 1은 종래의 연마 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 멤브레인을 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ 부위를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳa-Ⅳb 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 플렉서블 멤브레인과 대응되는 종래 기술에 따른 플렉서블 멤브레인을 나타낸 단면도이다.
도 7a는 도 6의 플렉서블 멤브레인을 이용해서 반도체 기판 상에 형성된 구리막을 연마하는 속도를 반도체 기판의 위치별로 나타낸 그래프이다.
도 7b는 도 2의 플렉서블 멤브레인을 이용해서 반도체 기판 상에 형성된 구리막을 연마하는 속도를 반도체 기판의 위치별로 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 2의 플렉서블 멤브레인을 이용해서 반도체 기판 상에 형성된 산화막을 연마하는 속도를 반도체 기판의 위치별로 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
110 : 가압판 120 : 제1 격벽
125 : 제1 슬롯 130 : 제2 격벽
135 : 제2 슬롯 140 : 측벽
145 : 제3 슬롯
본 발명은 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인 및 이를 포함하는 연마 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기판을 흡착하여 연마 패드에 압착시키기 위한 플렉서블 멤브레인과, 이러한 플렉서블 멤브레인을 이용하여 기판을 화학 기계적으로 연마하는 연마 장치에 관한 것이다.
최근 들어서, 반도체 장치가 고집적화됨에 따라 배선 구조가 다층화되어, 반도체 기판 상에 적층된 단위 셀들 사이의 표면 단차가 점점 증가되고 있다. 단위 셀들 사이의 표면 단차를 줄이기 위하여, 기판의 표면을 연마하는 다양한 방법들이 제시되고 있다. 연마 방법들 중에서, 기판 표면으로 슬러리(slurry)를 공급하면서 연마 패드로 기판 표면을 연마하는 화학 기계적 연마 방법(Chemical Mechanical Polishing:CMP)이 주로 사용되고 있다.
이러한 화학 기계적 연마 방법을 수행하기 위한 CMP 장치는 예를 들면 대한민국 공개특허 제2002-0040529호에 개시되어 있다. 도 1은 상기 공보에 개시된 CMP 장치를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 CMP 장치는 스테이션(1) 상에 배치된 플레이튼(2:platen)을 포함한다. 플레이튼(2)은 스테이션(1) 내부에 배치된 모터(도시 안됨)로부터 구동되어 회전한다. 플레이튼(2) 표면에는 기판을 연마하기 위한 연마 패드(3)가 부착되어 있다. 스테이션(1)에 설치된 슬러리 라인(7)은 연마 패드(3) 표면으로 슬러리를 공급한다. 또한, 스테이션(1)에는 패드 컨디셔너(8:pad conditioner)가 구비되어 있다. 패드 컨디셔너(8)는 연마 패드(3)에 묻은 이물질을 제거한다.
연마 패드(3) 상에 안치된 기판을 가압하는 연마 헤드(4)가 플레이튼(2) 상부에 배치된다. 연마 헤드(4)는 모터(5)에 회전축(6)을 매개로 연결되어, 플레이튼(2)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전을 하게 된다. 연마 헤드(4)는 기판을 진공으로 흡착하여 연마 패드(3) 상에 위치시킨다. 또한, 연마 헤드(4)는 기판을 공기압으로 압착하여 연마 패드(3)에 밀착시킨다. 따라서, 연마 헤드(4)에는 연마 헤드(4)에 진공과 공기압을 각각 제공하기 위한 진공 라인(도시 안됨)과 공기압 라인(도시 안됨)이 연결되어 있다.
연마 헤드(4)는 진공 라인과 공기압 라인이 연결된 캐리어, 캐리어 내에 배치된 서포터, 서포터에 의해 지지되어 기판을 흡착하는 플렉서블 멤브레인 및 플렉서블 멤브레인에 흡착된 기판의 이탈을 방지하는 리테이너 링을 포함한다.
종래의 플렉서블 멤브레인은 원판형의 가압판을 포함한다. 가압판의 가장자리 상에 측벽이 형성되어 있다. 가압판의 중앙 부위에는 진공이 인가되는 영영을 한정하기 위한 격벽이 형성되어 있다.
상기와 같은 플렉서블 멤브레인으로 기판을 연마 패드에 가압하면서 연마 공정을 수행할 때, 기판 표면을 균일한 두께로 연마하는 것이 가장 중요하다. 이를 위해서는, 플렉서블 멤브레인으로부터 기판 전체에 균일한 압력이 인가되도록 하는 것이 요구된다.
그러나, 종래의 플렉서블 멤브레인에서는, 진공 영역과 가압 영역만으로 구분되어 있어서 전체적으로 균일하게 기판에 압력을 인가하기가 곤란하다. 따라서, 기판상에 형성된 막을 연마할 때에 부위별로로 연마 속도간에 큰 차이가 유발된다.
상기와 같은 연마 속도의 불균일은 기판 표면의 연마 두께의 불균일을 초래한다. 따라서, 기판 표면이 평탄화되지 않고, 기판의 중앙부가 움푹 파이게 되는 디싱(dishing) 현상이 발생된다. 평탄화되지 않은 기판 표면에는 후속 공정을 통해서 여러 막들을 원하는 형상으로 정확하게 형성할 수가 없게 된다.
본 발명은 가압판을 통해서 기판에 직접적으로 제공되는 압력과 격벽을 통해서 기판에 간접적으로 제공되는 압력간에 차이를 줄여서, 균일한 압력으로 기판을 가압할 수 있는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인을 제공한다.
본 발명은 또한 상술한 플렉서블 멤브레인을 포함함으로써 기판 전체에 균일한 압력을 인가하면서 연마 동작을 수행하여, 기판 표면을 균일한 두께로 연마할 수 있는 연마 장치를 제공한다.
본 발명의 일견지에 따른 플렉서블 멤브레인은 제1 및 제2 면을 갖는 가압판 을 포함한다. 가압판의 제1 면은 기판을 흡착하여 연마 패드에 가압한다. 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면은 연마 헤드의 서포터가 결합되어 공간을 형성하고, 상기 공간으로 기판 흡착을 위한 진공과 기판 가압을 위한 제1 공기압이 제공된다. 연마 헤드의 서포터와 결합되는 구획부재가 가압판의 제2 면 상에 형성되어, 상기 공간을 적어도 2개 이상의 영역으로 구획한다. 공기압 도입부가 구획부재에 형성되어, 공기압 도입부를 통해서 가압판으로 제2 공기압이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 따른 플렉서블 멤브레인은 제1 및 제2 면을 갖는 가압판을 포함한다. 가압판의 제1 면은 기판을 흡착하여 연마 패드에 가압한다. 제2 면은 제1 면과 반대측에 위치한다. 측벽이 제2 면의 가장자리에 형성된다. 측벽은 연마 헤드의 서포터와 결합하여 공간을 형성한다. 구획 부재가 가압판의 제2 면 상에 형성되어, 상기 공간을 서로 다른 메인 공기압들이 제공되는 메인 영역들로 구획한다. 보조 영역 형성 부재가 상기 구획부재와 측벽 상에 형성된다. 보조 영역 형성 부재는 서포터와 결합되어, 구획부재와 측벽으로 보조 공기압을 제공하기 위한 보조 영역들을 형성한다. 보조 영역으로 제공되는 보조 공기압을 구획부재와 측벽을 통해서 가압판으로 도입시키기 위한 공기압 도입부가 구획부재와 측벽에 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마 장치는 기판을 연마하기 위한 패드를 갖는 플레이튼(platen)과, 기판을 흡착 및 가압하는 플렉서블 멤브레인과, 플렉서블 멤브레인을 지지하는 서포터를 갖는 연마 헤드를 포함한다. 플렉서블 멤브레인은 제1 및 제2 면을 갖는 가압판을 포함한다. 가압판의 제1 면은 기판을 흡착하 여 연마 패드에 가압한다. 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면은 서포터가 결합되어 공간을 형성하고, 상기 공간으로 기판 흡착을 위한 진공과 기판 가압을 위한 제1 공기압이 제공된다. 서포터와 결합되는 구획부재가 가압판의 제2 면 상에 형성되어, 상기 공간을 적어도 2개 이상의 영역으로 구획한다. 공기압 도입부가 구획부재에 형성되어, 공기압 도입부를 통해서 가압판으로 제2 공기압이 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 구획부재에 공기압 도입부가 형성됨으로써, 구획부재 하부에 위치한 가압판 부분으로도 공기압이 제공될 수가 있게 된다. 따라서, 가압판이 기판을 균일한 압력으로 연마 패드에 가압할 수가 있게 되어, 기판을 균일한 두께로 연마할 수가 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 멤브레인을 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ 부위를 확대해서 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 2의 Ⅳa-Ⅳb 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 플렉서블 멤브레인(100)은 가압판(110), 가압판(110) 상에 형성된 구획부재인 제1 및 제2 격벽(120 및 130)와 측벽(140), 및 구획부재와 측벽(140)에 형성된 공기압 도입부인 슬롯들(125, 135, 145)를 포함한다. 플렉서블 멤브레인(100)은 연마 헤드의 서포터(supporter:도시 안됨)에 결합되어 기판을 진공으로 흡착할 수 있다. 플레서블 멤브레인(100)은 예를 들면 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber), 네오프렌 고무(neoprene rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber)등과 같은 고무로 이루어진다.
가압판(110)은 대체적으로 원판 형상을 갖는다. 가압판(110)의 형상은 연마 대상체에 따라 변경된다. 따라서, 대략 원형인 반도체 웨이퍼가 연마 대상체일 경우에, 가압판(110)은 전술된 원판 형상을 가지게 된다. 반면에, 액정표시장치에 사용되는 직사각형의 유리기판이 연마 대상체일 경우에, 가압판(110)은 직사각형의 형상을 가질 수 있다.
가압판(110)은 제1 면(111)과, 제1 면(111)과 반대측에 위치하는 제2 면(112)을 갖는다. 제1 면(111)이 연마 패드(도시 안됨)가 위치한 하부를 향하고, 제2 면(112)이 상부를 향하게 된다. 기판은 제1 면(111)에 흡착된다. 기판을 흡착하기 위한 진공과 기판을 연마 패드에 밀착시키기 위한 공기압은 제2 면(112)으로 선택적으로 제공된다.
측벽(140)은 가압판(110)의 제2 면(112) 가장자리에 형성된다. 따라서, 측벽(140)은 링 형상을 갖는다. 측벽(140)은 연마 헤드의 서포터에 결합되어, 서포터와 함께 가압판(110)의 제2 면(112) 상부에 외부와 격리된 공간을 형성하게 된다.
구획부재는 측벽(140)의 높이와 실질적으로 동일한 높이를 갖는 제1 및 제2 격벽(120 및 130)을 포함한다. 제1 격벽(120)은 가압판(110)의 제2 면(112) 중앙에 배치된 링 형상을 갖는다. 제1 격벽(120)도 연마 헤드의 서포터에 결합되어, 상기 공간을 구획하게 된다. 제1 격벽(120)에 의해 구획된 공간이 진공과 제1 공기압(MP1)이 선택적으로 제공되는 진공 영역(MZ1)으로 정의된다.
제2 격벽(130)은 제1 격벽(120)과 측벽(140) 사이에 배치된 링 형상이다. 따라서, 제1 및 제2 격벽(120 및 130)과 측벽(140)은 동심원 형태로 배열된다. 한편, 가압판(110)이 직사각형일 경우, 제1 및 제2 격벽(120 및 130)과 측벽(140)은 직사각틀 형상의 동심 패턴 형태로 배열될 것이다. 물론, 가압판(110)이 직사각형이라도, 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)은 동심원 형태로 배열될 수도 있을 것이다. 제2 격벽(130)은 연마 헤드의 서포터와 결합되어, 제1 격벽(120)과 측벽(140) 사이의 공간을 2개의 공간으로 구획한다.
제1 및 제2 격벽(120,130) 사이의 공간이 기판 가압을 위한 제2 공기압(MP2)이 제공되는 주 가압 영역(MZ2)으로 정의한다. 제2 격벽(130)과 측벽(140) 사이이 공간이 기판 가압을 위한 제3 공기압(MP3)이 제공되는 외곽 가압 영역(MZ3)으로 정의한다. 즉, 기판은 진공 영역(MZ1)에 제공되는 진공에 의해서 가압판(110)의 제1 면(111)에 진공 흡착되고, 진공 영역(MZ1)과 주 가압 영역(MZ2) 및 외곽 가압 영역(MZ3) 모두로 제공되는 제1 내지 제3 공기압(MP1,MP2,MP3)에 의해서 연마 패드에 밀착된다.
제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)을 통해서 제1 및 제2 격벽 공기압(AP1,AP2)과 측벽 공기압(AP3)이 가압판(110)으로 제공되도록 하기 위해서, 공기압 도입부들이 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)에 형성된다. 공기압 도입부는 제1 격벽(120)에 형성된 제1 슬롯(125), 제2 격벽(130)에 형성된 제2 슬롯(135) 및 측벽(140)에 형성된 제3 슬롯(145)을 포함한다.
본 실시예에 따른 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)은 각각 일체로 연결된 링 형상을 갖는다. 따라서, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)은 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)과 마찬가지로 동심원 형태로 배열된다. 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)에 의해서 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)은 2개로 분할된다. 따라서, 제1 및 제2 격벽(120,130)은 제1 및 제2 슬롯(125,135)을 사이에 두고 배치된 내측 격벽(120a,130a)과 외측 격벽(120b,130b)으로 이루어지게 된다. 또한, 측벽(140)도 제3 슬롯(145)을 사이에 두고 배치된 내측벽(140a)과 외측벽(140b)으로 이루어지게 된다.
제1 내지 제3 보조 영역 형성부재가 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140) 상에 형성되어 있다. 제1 내지 제3 보조 영역 형성부재는 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)을 정의한다. 보조 영역 형성부재는 제1 격벽(120) 상에 형성되어 제1 보조 영역(AZ1)을 정의하는 제1 격판, 제2 격벽(130) 상에 형성되어 제2 보조 영역(AZ2)을 정의하는 제2 격판, 및 측벽(140) 상에 형성되어 제3 보조 영역(AZ3)을 정의하는 제3 격판을 포함한다.
제1 내지 제3 격판 각각은 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)의 상단 내측으로부터 수평하게 연장된 제1 내지 제3 내측 수평 확장부(121a,131a,141a)들과, 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)의 상단 외측으로부터 수평하게 연장된 제1 내지 제3 외측 수평 확장부(121b,131b,141b), 제1 내지 제3 내측 수평 확장부(121a,131a,141a)들의 단부로부터 상방을 향해 형성된 제1 내지 제3 내측 장벽부(122a,132a,142a), 및 제1 내지 제3 외측 수평 확장부(121b,131b,141b)들의 단 부로부터 상방을 향해 형성된 제1 내지 제3 외측 장벽부(122b,132b,142b)를 포함한다. 특히, 제1 내지 제3 내외측 수평 확장부(121a,121b,131a,131b,141a,141b)의 표면은 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)의 각 표면보다 약간 낮아서 단차를 형성한다.
제1 내외측 장벽부(122a,122b)들의 상단은 서포터에 결합되고, 제1 격판과 서포터 및 제1 격벽(120)의 표면이 형성하는 공간은 제1 보조 공기압(AP1)이 제공되는 제1 보조 영역(AZ1)으로 정의된다.
제2 내외측 장벽부(132a,132b)들의 상단은 서포터에 결합되고, 제2 격판과 서포터 및 제2 격벽(130)의 표면이 형성하는 공간이 제2 보조 공기압(AP2)이 제공되는 제2 보조 영역(AZ2)으로 정의된다.
제3 내외측 장벽부(142a,142b)들의 상단은 서포터에 결합되어서, 제3 격판과 서포터 및 측벽(140)의 표면이 형성하는 공간이 제3 보조 공기압(AP3)이 제공되는 제3 보조 영역(AZ3)으로 정의된다.
제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)은 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)의 표면으로부터 가압판(110)을 향해 형성된다. 따라서, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145) 각각은 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3) 각각과 연통된다. 따라서, 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3) 각각은 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)의 크기만큼 확장된 공간을 갖게 된다.
제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)의 깊이는 제1 및 제2 격벽(120,130)과 측벽(140)의 높이와 실질적으로 동일하다. 제1 및 제2 격벽 공기압(AP1,AP2)과 측 벽 공기압(AP3)은 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)을 통해서 가압판(110)의 제2 표면(112)으로 직접 제공된다. 그러므로, 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)을 통해서 가압판(110)으로 제공되는 제1 및 제2 격벽 공기압(AP1,AP2)과 측벽 공기압(AP3)은 진공 영역(MZ1)과 주 가압 영역(MZ2) 및 외곽 가압 영역(MZ3)을 통해서 가압판(110)으로 제공되는 제1 내지 제3 공기압(MP1,MP2,MP3)들과 큰 차이가 없어지게 된다. 이와 같이, 가압판(110)의 제2 표면(112)에 전체적으로 균일한 압력이 제공되므로, 가압판(110)의 제1 표면(111)이 균일한 압력으로 기판을 연마 패드에 밀착시킬 수가 있게 된다.
한편, 본 실시예에서는, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)의 상하폭이 실질적으로 동일하다. 반면에, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)을 통해서 가압판(110)의 제2 표면(112)의 노출 면적을 확장시키기 위해서, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)은 상부로부터 하부로 가면서 점진적으로 폭이 늘어나는 형상을 가질 수도 있다. 또한, 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)은 하부 폭이 상부 폭보다 긴 이중 구조를 가질 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조로, 본 실시예에 따른 연마 장치(600)는 플레이튼(660:platen)과, 플레이튼(660) 상부에 배치된 연마 헤드(610)를 포함한다.
기판(S)이 밀착되는 연마 패드(680)가 플레이튼(660) 표면에 부착된다. 플레이튼(660)은 제1 모터(670)에 회전축(690)으로 연결된다. 슬러리 라인(685)이 연마 패드(680) 표면에 근접하게 배치되어, 연마 패드(680) 표면으로 슬러리가 공급된 다.
연마 헤드(610)는 제2 모터(640), 제2 모터(640)에 회전축(645)을 매개로 연결된 서포터(620), 서포터(620)에 지지되어 기판(S)을 흡착하는 플렉서블 멤브레인(100) 및 플렉서블 멤브레인(100)에 흡착된 기판(S)의 이탈을 방지하는 리테이너 링(650:retainer ring)을 포함한다.
플렉서블 멤브레인(100)은 전술된 바와 같이 공기압 도입부(125,135,145)들을 갖는다. 따라서, 플렉서블 멤브레인(100)에 대한 설명은 생략한다. 플렉서블 멤브레인(100)은 서포터(620)의 밑면에 지지된다. 기판(S)은 플렉서블 멤브레인(100)의 밑면에 흡착되어, 연마 패드(680)의 표면에 밀착된다.
리테이너 링(650)은 서포터(620)의 밑면 가장자리에 설치되어, 연마 동작 중에 기판(S)이 플렉서블 멤브레인(100)으로부터 이탈되는 것을 방지한다.
서포터(620)는 플렉서블 멤브레인(100)을 수용하는 공간이 밑면에 형성된 구조를 갖는다. 또한, 서포터(620)는 플렉서블 멤브레인(100)의 제1 및 제2 격벽(120,130)을 지지하는 제1 및 제2 격벽 지지부(621,622)와, 측벽(140)을 지지하는 측벽 지지부(623)를 갖는다.
따라서, 진공 영역(MZ1)은 제1 격벽(120), 제1 격벽 지지부(621), 서포터(620)의 밑면, 및 가압판(110)의 표면에 의해 정의된다. 주 가압 영역(MZ2)은 제1 및 제2 격벽(120,130), 제1 및 제2 격벽 지지부(621 및 622), 서포터(620)의 밑면, 및 가압판(110)의 표면에 의해 정의된다. 외곽 가압 영역(MZ3)은 제2 격벽(130), 측벽(140), 제2 격벽 지지부(622), 측벽 지지부(623), 서포터(620)의 밑 면, 및 가압판(110)의 표면에 의해 정의된다.
한편, 제1 보조 영역(AZ1)은 제1 격벽(120)의 표면과 제1 격판 및 서포터(620)의 밑면에 의해 정의된다. 제2 보조 영역(AZ2)은 제2 격벽(130)의 표면과 제2 격판 및 서포터(620)의 밑면에 의해 정의된다. 제3 보조 영역(AZ3)은 측벽(140)의 표면과 제3 격판 및 서포터(620)의 밑면에 의해 정의된다.
각 영역들로 공기압을 제공하기 위한 제1 공기압 통로(630)와 제2 공기압 통로(630a)가 서포터(620)의 상면에 형성된다. 제1 공기압 통로(630)는 제1 내지 제3 공기압(MP1,MP2,MP3)을 진공 영역(MZ1)과 주 가압 영역(MZ2) 및 외곽 가압 영역(MZ3)으로 각각 제공하기 위한 제1 내지 제3 메인 통로(631,632,633)와, 제1 및 제2 격벽 공기압(AP1,AP2)과 측벽 공기압(AP3)을 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)으로 각각 제공하기 위한 제1 내지 제3 보조 통로(634,635,636)들로 분기된다. 한편, 제2 공기압 통로(630a)는 진공 영역(MZ1)으로만 연결되어, 제1 메인 영역(MZ1)으로 기판(S) 흡착을 위한 진공(VP)이 제공된다.
기판(S)은 제2 공기압 통로(630a)을 통해서 진공 영역(MZ1)으로 제공된 진공(VP)에 의해 가압판(110)의 밑면에 흡착된다. 이러한 상태에서, 연마 헤드(610)가 플레이튼(670) 상부에 배치된다.
제1 공기압 통로(630)를 통해서 공기압이 각 영역들로 제공된다. 즉, 제1 내지 제3 공기압(MP1,MP2,MP3)은 제1 내지 제3 메인 통로(631,632,633)를 통해서 가압판(110)의 표면으로 직접 제공된다. 한편, 제1 내지 제3 보조 공기압(AP1,AP2,AP3)은 제1 내지 제3 보조 통로(634,635,636)와 제1 내지 제3 슬롯(125,135,145)를 통해서 가압판(110)의 표면으로 직접 제공된다.
상기된 공기압들과 보조 공기압들에 의해 기판(S)은 균일한 압력으로 연마 패드(680)에 밀착된다. 슬러리 라인(685)으로부터 슬러리가 연마 패드(680) 표면으로 공급되면, 제1 모터(670)에 의해 연마 패드(680)가 제1 방향, 예를 들면 시계방향으로 회전된다. 또한, 제2 모터(640)에 의해 연마 헤드(610)가 제1 방향과 반대인 시계반대방향 또는 시계 방향으로 회전된다. 기판(S)은 회전하면서 연마 패드(680)에 압착됨으로써, 기판(S)의 표면이 균일한 두께로 연마된다.
연마 특성 실험 1
플렉서블 멤브레인 제조
200mm크기의 공기압 도입부인 슬롯이 없는 플렉서블 멤브레인과 도 2에 도시된 본 발명에 따른 플렉서블 멤브레인(100)간의 연마 특성을 비교하였다. 먼저, 비교예로서 도 6에 단면도로 도시된 공기압 도입부를 갖지 않는 플렉서블 멤브레인(1000)을 제작하였다. 도 6의 플렉서블 멤브레인(1000)은 공기압 도입부가 없는 점을 제외하고는 도 2에 도시한 플렉서블 멤브레인(100)과 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 가졌다. 도 6의 플렉서블 멤브레인(1000)과 도 2의 플렉서블 멤브레인(100)을 도 5에 도시된 연마 장치(600)에 채용하였다.
연마 대상막의 형성
연마 대상체인 200mm크기의 반도체 기판 상에 산화물을 6,000Å의 두께로 증착하였고, 탄탈륨을 산화물 상에 250Å의 두께로 증착하였다. 씨드막으로서의 구리를 1,500Å의 두께로 탄탄륨 상에 증착하였고, 구리를 씨드막 상에 전해 도금법을 통해서 14,000Å의 두께로 증착하였다. 이러한 구조물들을 갖는 반도체 기판 2개를 마련하였다.
연마 공정
먼저, 도 6의 플렉서블 멤브레인(1000)과 도 2의 플렉서블 멤브레인(100)의 각 영역들에 인가된 압력을 측정하였고, 측정된 압력값이 하기 표 1에 나타나 있다.
영역 MZ1 MZ2 MZ3 AZ1 AZ2 AZ3
압력 (psi) 도 6의 멤브레인 2.8 2.45 2.6 4.0 3.5 2.0
도 2의 멤브레인 2.4 2.23 2.3 2.0 1.8 1.0
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 도 6에 도시한 플렉서블 멤브레인(1000)에서는, 진공 영역(MZ1)으로 제공된 제1 공기압(MP1)이 2.8psi, 주 가압 영역(MZ2)으로 제공된 제2 공기압(MP2)이 2.45psi, 외곽 가압 영역(MZ3)으로 제공된 제3 공기압(MP3)이 2.6psi였다. 또한, 제1 보조 영역(AZ1)으로 제공된 제1 격벽 공기압(AP1)이 4.0psi, 제2 보조 영역(AZ2)으로 제공된 제2 격벽 공기압(AP2)이 3.5psi, 제3 보조 영역(AZ3)으로 제공된 측벽 공기압(AP3)이 2.0psi였다. 상기된 결과와 같이, 도 6에 도시한 플렉서블 멤브레인(1000)에서는, 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)에서 측정된 압력값 간에 상당한 차이를 나타내고 있다.
반면에, 도 2에 도시한 플렉서블 멤브레인(100)에서는, 진공 영역(MZ1)과 주 가압 영역(MZ2) 및 외곽 가압 영역(MZ3)으로 각각 제공된 제1 내지 제3 공기압(MP1,MP2,MP3)은 2.4psi, 2.23psi 및 2.3psi이였다. 제1 내지 제3 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)으로 각각 제공된 제1 및 제2 격벽 공기압(AP1,AP2)과 측벽 공기압(AP3)은 각각 2.0psi, 1.8psi, 1.0psi 이였다. 이와 같이, 본 발명에 따른 플렉서블 멤브레인(100)에서는, 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)에서 측정된 압력값이 주영역들에서 측정된 값보다 낮았다. 이러한 압력차이는 공기압 도입부에 의해 형성된 것으로 판단된다.
상기와 같은 압력 분포들을 각각 갖는 종래의 플렉서블 멤브레인(1000)과 본 발명의 플렉서블 멤브레인(100)을 각각 갖는 연마 장치를 이용해서 반도체 기판에 대한 연마 공정을 실시하였다. 여기서, 연마제로는 무연마제(abrasive-free) 슬러리를 사용하였다. 연마 헤드의 회전 속도는 23rpm, 플레이튼의 회전 속도는 600rpm으로 90초간 연마 공정을 실시하였다.
도 7a는 도 6의 플렉서블 멤브레인(1000)을 이용한 경우의 연마 속도를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 도 2의 플렉서블 멤브레인(100)을 이용한 경우의 연마 속도를 나타낸 그래프이다. 도 11a 및 11b에서, 횡축은 반도체 기판의 위치를 나타내고, 종축은 연마 속도(Å/분)를 나타낸다.
먼저, 도 7a에 나타난 바와 같이, 진공 영역(MZ1)과 주 가압 영역(MZ2) 및 외곽 가압 영역(MZ3)과 대응하는 반도체 기판 부분의 연마 속도는 8,000Å/분 정도 인데 반해서, 제1 및 제2 보조 영역(AZ1,AZ2)과 대응하는 반도체 기판 부분의 연마 속도는 6,000Å/분이고 제3 보조 영역(AZ3)과 대응하는 반도체 기판 부분의 연마 속도는 11,000Å/분이었다. 이와 같이, 도 6의 플렉서블 멤브레인(1000)을 이용한 연마 공정에서는, 진공 및 가압 영역(MZ1,MZ2,MZ3)과 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)간에 큰 차이의 연마 속도를 나타내고 있다.
이는 전술된 압력 측정 결과로부터 비롯됨을 알 수 있다. 즉, 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)에서 측정된 압력값들이 진공 및 가압 영역(MZ1,MZ2,MZ3)에서 측정된 압력값들과 매우 크게 차이가 나고, 또한 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)에서 측정된 압력값들 자체도 서로 다르기 때문에, 종래의 플렉서블 멤브레인(1000)은 반도체 기판을 균일한 압력으로 연마 패드에 밀착시킬 수 없었다.
반면에, 도 7b에 나타난 바와 같이, 도 2의 플렉서블 멤브레인(100)을 이용한 연마 공정에서는, 11,000Å/분 이상의 연마 속도를 나타낸 제3 보조 영역(AZ3)를 제외하고는 연마 속도가 전반적으로 9,500 내지 10,000Å/분 정도로 균일하게 측정되었다.
전술된 압력 측정 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 플렉서블 멤브레인(100)에서는 보조 영역(AZ1,AZ2,AZ3)에 인가된 압력들이 거의 동일하고, 또한 진공 및 가압 영역(MZ1,MZ2,MZ3)에 인가된 압력과도 큰 차이가 없다. 그러므로, 본 발명의 플렉서블 멤브레인(100)은 반도체 기판을 전체적으로 균일한 압력으로 연마 패드에 밀착시킬 수가 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 연마 장치는 반도체 기판을 균일한 두께로 연마할 수가 있다.
연마 특성 실험 2
연마 대상막의 형성
연마 대상체인 반도체 기판 상에 플루오린이 도핑된 실리케이트 글래스(Fluorine doped Silicate Glass:FSG)를 3,000Å의 두께로 증착하였다.
연마 공정
도 2에 도시한 본 발명에 따른 연마 장치를 이용해서 반도체 기판에 대한 연마 공정을 실시하였다. 연마제로는 실리카 기재(silica-based) 슬러리를 사용하였다. 연마 헤드의 회전 속도는 23rpm, 플레이튼의 회전 속도는 300rpm으로 90초간 연마 공정을 실시하였다.
도 8에 반도체 기판의 위치별 연마 속도가 그래프로 도시되어 있다. 도 8에서, 선 ①은 원하는 목표 연마 속도를 나타내고, 선 ②가 반도체 기판의 실제 연마 속도를 나타낸다.
도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 플렉서블 멤브레인을 갖는 연마 장치로 반도체 기판을 연마한 결과, 실제 연마 속도가 목표 연마 속도에 매우 근접하게 나타나고 있다. 또한, 반도체 기판의 위치별 연마 속도들도 영역별 차이가 거의 나타나지 않았다.
상기 측정 결과로부터, 본 발명에 따른 플렉서블 멤브레인이 채용된 연마 장치는 반도체 기판을 균일한 두께로 연마할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 본 발명의 플렉서블 멤브레인은 반도체 기판을 균일한 압력으로 연마 패드에 밀착시킬 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 구획부재와 측벽에 공기압 도입부가 형성됨으로써, 공기압이 구획부재와 측벽이 형성된 가압판 부분으로도 직접적으로 제공될 수가 있게 된다. 따라서, 가압판에 전체적으로 균일한 공기압이 제공되므로, 가압판이 기판을 균일한 압력으로 연마 패드에 밀착시킬 수가 있게 된다. 그러므로, 기판을 균일한 두께로 연마할 수가 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 기판을 흡착 및 가압하는 제1 면과, 상기 기판의 흡착을 위한 진공 및 상기 기판 가압을 위한 제1 공기압을 제공받기 위하여 상기 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면을 갖는 가압판; 및
    상기 가압판의 제2 면 상에 형성되어 상기 제2 면을 다수의 영역을 한정하고, 상기 가압판의 제2 면으로 제2 공기압을 제공하기 위한 공기압 도입부를 갖는 구획 부재를 포함하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구획 부재는
    상기 가압판의 제2 면 중앙에 배치되어 상기 기판을 흡착할 때의 진공 영역을 형성하는 영역을 한정하는 제1 격벽; 및
    상기 제1 격벽의 외부에 배치되어 상기 기판을 가압할 때의 주 가압 영역을 한정하는 제2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가압판의 제2 면 가장자리에 형성된 측벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  4. 제3항에 있어서, 상기 측벽에는 상기 가압판의 제2 면의 가장자리로 측벽 공 기압을 제공하기 위한 측벽 공기압 도입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 공기압은 상기 제1 공기압보다 작은 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공기압 도입부는 상기 구획 부재의 상면에 형성되어 있는 슬롯인 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  7. 제6항에 있어서, 상기 슬롯은 상기 구획 부재의 종방향을 따라 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  8. 제6항에 있어서, 상기 슬롯은 상기 구획 부재의 높이와 실질적으로 동일한 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가압판과 구획 부재는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber), 네오프렌 고무(neoprene rubber) 또는 니트릴 고무(nitrile rubber)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  10. 제1항에 있어서, 상기 구획부재는
    상기 기판의 중앙측에 형성되어 있는 내측 격벽;
    상기 기판의 외곽측에 상기 내측 격벽에 대향하여 배치되어 상기 공기압 도입부를 형성하는 외측 격벽;
    상기 내측 격벽의 상단으로부터 상기 중앙측으로 수평하게 연장된 내측 수평 확장부;
    상기 외측 격벽의 상단으로부터 상기 외곽측으로 수평하게 연장된 외측 수평 확장부;
    상기 내측 수평 확장부의 단부로부터 상방으로 연장되어 있는 내측 장벽부; 및
    상기 외측 수평 확장부의 단부로부터 상방으로 연장되어 있는 외측 장벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  11. 기판을 흡착 및 가압하는 제1 면과, 상기 기판의 흡착을 위한 진공압 및 가압을 위한 제1 공기압을 제공받기 위하여 상기 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면을 갖는 가압판;
    상기 가압판의 제2 면의 중앙에 상기 진공과 상기 제1 공기압을 선택적으로 제공하기 위한 진공 영역을 한정하고, 상기 가압판의 제2 면으로 제1 격벽 공기압을 제공하기 위한 제1 격벽 공기압 도입부를 갖는 제1 격벽;
    상기 제1 격벽의 외부에 배치되어 상기 기판을 가압할 때의 제2 공기압을 제공하기 위한 주 가압 영역을 상기 제1 격벽과 함께 한정하고, 상기 가압판의 제2 면으로 제2 격벽 공기압을 제공하기 위한 제2 격벽 공기압 도입부를 갖는 제2 격벽; 및
    상기 가압판의 제2 면 가장자리에 형성되어 상기 기판을 가압할 때의 제3 공기압을 제공하기 위한 외곽 가압 영역을 상기 제2 격벽과 함께 한정하는 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  12. 제11항에 있어서, 상기 측벽에는 상기 가압판의 제2 면의 가장자리로 측벽 공기압을 제공하기 위한 측벽 공기압 도입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 격벽 공기압은 상기 제1 및 제2 공기압보다 작은 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측벽 공기압 도입부는 상기 구획 부재의 상면으로부터 상기 가압판의 제2 면까지 연장되어 상기 구획 부재의 종방향을 따라 일체로 형성되어 있는 슬롯인 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  15. 제11항에 있어서, 상기 가압판과 구획 부재는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber), 네오프렌 고무(neoprene rubber) 또는 니트릴 고무(nitrile rubber)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 격벽들 각각은
    상기 기판의 중앙측에 형성되어 있는 내측 격벽;
    상기 기판의 외곽측에 상기 내측 격벽에 대향하여 배치되어 상기 공기압 도입부를 형성하는 외측 격벽;
    상기 내측 격벽의 상단으로부터 상기 중앙측으로 수평하게 연장된 내측 수평 확장부;
    상기 외측 격벽의 상단으로부터 상기 외곽측으로 수평하게 연장된 외측 수평 확장부;
    상기 내측 수평 확장부의 단부로부터 상방으로 연장되어 있는 내측 장벽부; 및
    상기 외측 수평 확장부의 단부로부터 상방으로 연장되어 있는 외측 장벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드용 플렉서블 멤브레인.
  17. 기판을 연마하기 위한 패드를 갖는 플레이튼; 및
    상기 플레이튼 상에 배치되어 상기 기판을 흡착하여 상기 플레이튼의 연마 패드에 가압하는 플렉서블 멤브레인, 및 상기 플렉서블 멤브레인을 지지하는 서포터를 갖는 연마 헤드를 포함하고,
    상기 플렉서블 멤브레인은
    기판을 흡착 및 가압하는 제1 면과, 상기 기판의 흡착을 위한 진공 및 상기 기판 가압을 위한 제1 공기압을 제공받기 위하여 상기 제1 면과 반대측에 위치하는 제2 면을 갖는 가압판; 및
    상기 가압판의 제2 면 상에 형성되어 상기 제2 면을 다수의 영역을 한정하고, 상기 가압판의 제2 면으로 제2 공기압을 제공하기 위한 공기압 도입부를 갖는 구획 부재를 포함하는 연마 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구획 부재는
    상기 가압판의 제2 면 중앙에 배치되어 상기 기판을 흡착할 때의 진공 영역을 형성하는 영역을 한정하는 제1 격벽; 및
    상기 제1 격벽의 외부에 배치되어 상기 기판을 가압할 때의 주 가압 영역을 한정하는 제2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 가압판의 제2 면 가장자리에 형성된 측벽을 더 포함하고, 상기 측벽에는 상기 가압판의 제2 면의 가장자리로 측벽 공기압을 제공하기 위한 측벽 공기압 도입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 공기압 도입부는 상기 구획 부재의 상면에 형성되어 있는 슬롯인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
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