KR100685284B1 - 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를연마할 수 있는 화학적 기계적 연마 캐리어 및 이를구비한 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 및 MEMS 공정의 소자 평탄화 공정인 화학적 기계적 연마장치의 연마 캐리어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자 및 MEMS 구조물의 두께 변화에 대응하여 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 캐리어에 관한 것이다.

본 발명은 다양한 두께를 가지는 MEMS 구조물의 화학적 기계적 연마를 위하여 연마헤드에 벨로우즈에 의해 미리 예압이 걸려 있는 리테이너 링을 사용함으로써 종래의 소자용 화학적 기계적 연마뿐만 아니라 다양한 두께의 MEMS 구조물의 화학적 기계적 연마에 유동적으로 대응할 수 있는 장점을 가진다. 이에 다양한 두께를 가지는 MEMS 구조물의 제작과 소자용 화학적 기계적 연마에 있어서 연마헤드 제작과 대량 생산에 소요되는 비용의 절감 효과가 있다.

화학적 기계적 연마, 두께, 리테이너 링, 벨로우즈

Description

리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마 캐리어 및 이를 구비한 화학적 기계적 연마 장치{A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING CARRIER BEING ABLE TO POLISH THE WAFER WITHOUT THE ADJUSTMENT OF THE RETAINER RING}

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마장치의 개략도.

도 2는 종래의 화학적 기계적 연마장치의 연마 캐리어의 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, CMP 연마 캐리어의 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 본 발명의 원리를 설명하기 위한 CMP 연마 캐리어의 일부 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11: 연마정반 12: 연마패드

13: 슬러리 14: 웨이퍼

15: 연마 캐리어 16: 높이 조절 나사

17: 리테이너 링

20: 본 발명의 연마 캐리어 21: 연마 캐리어 헤드부

22: 리테이너 링 22a: 요홈부

24: 벨로우즈 26: 높이 조절부재

26a: 나사산 28: 스토퍼

본 발명은 반도체 및 MEMS 공정의 소자 평탄화 공정인 화학적 기계적 연마장치의 연마 캐리어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자 및 MEMS 구조물의 두께 변화에 대응하여 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 캐리어에 관한 것이다.

반도체 공정에 사용되는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 장치에서, 연마 캐리어는 가공대상물인 웨이퍼 전면의 연마 균일도를 제어하는 가장 중요한 장치이며, 리테이너 링은 웨이퍼의 탈락을 방지하고 균일하게 슬러리를 공급하는 역할을 한다.

종래의 화학 기계적 연마 헤드 방식은 MEMS 구조물의 화학 기계적 연마에 적용하는데 있어 다음과 같은 문제점이 있었다.

먼저 웨이퍼의 두께가 리테이너 링보다 낮을 경우, 웨이퍼와 연마 패드의 접촉이 이루어지지 않아 입자에 의한 원활한 연마가 이루어지지 않으며, 반면 웨이퍼의 두께가 너무 두꺼워지면 리테이너 링이 더 이상 웨이퍼를 지지하지 못하고 연마도중 웨이퍼가 이탈하는 현상이 발생하였다.

그러므로 종래의 연마헤드를 사용할 경우, 다양한 두께의 웨이퍼를 연마함에 있어서 요구되는 리테이너 링의 높이 또한 다양해야하기 때문에 MEMS 구조물의 연 마를 위해서는 각각의 MEMS 구조물의 높이에 맞는 리테이너 링을 가진 연마헤드의 제작이 이루어져야만 하는 문제점이 있었다.

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마장치 중 일 예를 도시하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마장치는 회전하는 연마 정반(11)위에 연마 패드(12)를 부착하여 회전시키고, 반응성을 가지는 슬러리(13)를 공급하게 된다. 상기 연마패드(12) 상에 웨이퍼(14)를 위치시키고, 연마 캐리어(15)로 웨이퍼(14)를 가압한 상태에서 연마정반(11)과 같은 방향으로 회전시키게 되면 웨이퍼(14) 표면이 연마되면서 평탄화가 이루어진다. 이때 웨이퍼(14)를 지지하는 연마 캐리어(15)는 웨이퍼(14)에 가압하는 역할과 함께 가공 중 웨이퍼(14)가 캐리어(15) 바깥으로 이탈되는 것을 막아주는 역할을 한다.

도 2는 도 1의 연마 캐리어의 단면도로서, 캐리어(15)에 대한 구성을 보다 상세히 도시한다. 연마 중 연마 캐리어(15)에 의해 웨이퍼(14)를 가압하게 되면 이때 연마 패드(12)와의 접촉으로 인해 발생하는 마찰력 때문에 웨이퍼(14)는 연마 캐리어(15) 바깥으로 밀려나가려고 한다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 연마 캐리어(15)에는 웨이퍼(14)를 지지할 수 있는 리테이너 링(17)을 구비하게 된다. 즉, 리테이너 링(17)은 웨이퍼(14)가 연마 공정 중 이탈하는 것을 방지하는 역활을 한다. 따라서 웨이퍼 두께에 대한 리테이너 링(17)의 높이는 매우 중요한 인자로서 리테이너 링(17)이 아래로 충분히 내려오지 않으며, 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지할 수 없게 된다.

도 2에 도시된 종래의 화학적기계적 연마 장치는 연마 캐리어(15)에 높이 조절 나사(16)가 형성된 모습을 도시한다. 상기 높이 조절 나사(16)를 조절함으로써 리테이너 링(17)의 높이를 조절한다. 이에 따라, 서로 다른 두께의 웨이퍼(14)가 연마 패드(12) 상에 장착되더라도, 리테이너 링의 높이를 조절하여 연마 공정이 가능하도록 하였다. 그러나, 높이 조절 나사(16)를 이용한 리테이너 링(17)의 높이 조절은 각 웨이퍼 두께에 따른 정밀한 두께 조절 작업을 수행하여야 함으로 숙련된 기술을 필요로 하며, 웨이퍼의 두께가 달리할 때마다 반복적인 조절 작업을 수행하여야 하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기된 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 종래의 소자용 화학적 기계적 연마뿐만 아니라, 다양한 두께를 가지는 MEMS 구조물의 화학적 기계적 연마를 위하여 웨이퍼의 두께에 따라 유동적으로 리테이너 링의 높이를 제어할 수 있는 연마 캐리어를 제공하여 MEMS 구조물의 집적화 및 다층화에 기여하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 연마 캐리어는 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적기계적 연마 캐리어로서 리테이너 링의 안쪽 내면에는 링 형상의 요홈부가 형성되고, 연마 캐리어의 헤드부에는 상기 리테이너 링의 요홈부에 수용되어 리테이너 링의 이탈을 방지하는 스토퍼가 형성되어, 상기 요홈부의 높이만큼 스토퍼가 상하로 이동가능하며, 상기 연마 캐리어의 헤드부의 주위를 감싸도록 설치되어 상기 리테이너 링의 탄성적으로 지지하는 벨로우즈가 형성된다.

바람직하게는 상기 벨로우즈의 높이를 조절하기 위해서 연마 캐리어의 헤드부의 측면에는 높이 조절부재가 형성되는 데, 상기 높이 조절부재는 안쪽 내면에 나사산이 형성된 링의 형태이며, 연마 캐리어의 측면에는 상기 링의 나사산과 맞물리는 나사산이 형성되어, 상기 링을 회전시킴으로써 상기 벨로우즈의 높이를 조절한다. 즉, 높이 조절 부재는 상기 벨로우즈 상에 위치하며, 연마 캐리어 측면에 형성된 나사산과 맞물리는 나사산이 형성된 링 형태이다.

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바람직하게는 상기 요홈부의 수직 길이를 조절함으로써, 리테이너 링의 외부 돌출길이를 조절하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, CMP 연마 캐리어의 단면도이다. 웨이퍼(14)가 연마 캐리어의 헤드부(21)에 흡착된 모습을 도시한다. 웨이퍼의 흡착은 진공 흡입에 의해서 이루어진다.

도 3을 참조하면, 연마시에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링(22)의 안쪽 내면에는 링 형상의 요홈부(22a)가 형성되어 있다. 리테이너 링이 원통 링의 형상임으로, 그 안쪽 내면에 형성된 요홈부는 링 형상이다. 상기 요홈부(22a)는 상하로 일정한 높이를 지니고 있다. 제작시에 요홈부의 수직 길이 및 위치를 변화함으로써, 리테이너 링의 외부 돌출길이를 변화시킬 수 있다. 즉, 제작시에 요홈부의 수직길이 또는 위치를 조절함으로써, 외부로 돌출되는 헤드부의 길이를 변화시킬 수 있다.

연마 캐리어(15)의 헤드부(21)에는 상기 리테이너 링(22)의 요홈부(22a)에 수용되어 리테이너 링(22)의 이탈을 방지하는 스토퍼(28)가 형성되어 있다. 스토퍼(28)는 헤드부(21)의 측면에 고정설치되어 리테이너 링(22)의 요홈부(22a)에 수용되어 있으며, 리테이너 링(22)의 요홈부(22a)는 스토퍼(28) 및 헤드부(21)가 상 하로 일정한 높이만큼 이동하도록 가이드 하는 역할을 하며, 스토퍼가 일정한 높이 이상으로 이탈되지 않도록 하는 걸림턱의 역할을 수행한다.

리테이너 링(22)의 표면은 항상 웨이퍼(14)면 보다 돌출되어 있도록 설계 되어 있으며, 이 돌출량은 스토퍼(28)의 위치를 미리 조절해 둠으로써 넓은 범위의 웨이퍼(14) 두께 편차를 모두 수용할 수 있는 장점을 가진다.

연마 캐리어의 헤드부(21)의 주위에는 탄성 부재(24)가 감싸도록 설치된다. 벨로우즈(24)는 상기 리테이너 링(22)의 탄성적으로 지지한다. 벨로우즈(24)가 형성된다.

웨이퍼(14)를 흡착한 상태에서 연마 캐리어(15)를 연마 패드(12)에 눌러는 경우에 벨로우즈는 리테이너 링(22)을 탄성적으로 지지하게 된다.

즉, 본 발명의 연마 캐리어(20)는 벨로우즈(24)에 의해 미리 예압이 걸려 있는 리테이너 링(22)을 사용함으로써 연마 캐리어 헤드부(21)에 하중이 가해져 연마 패드(12)면에 대해 눌러지는 경우 자동으로 리테이너 링(22)이 압축되면서 웨이퍼(14)와 리테이너 링(22)의 높이가 같아지게 되는 구조를 가진다. 리테이너 링(22)에 작용하는 압력은 벨로우즈(24)에 의해 전달되게 된다.

따라서, 종래와 같이 높이 조절 나사를 이용하여 수동으로 웨이퍼마다 높이를 조절하지 않아도 되는 장점을 가지기 때문에 공정을 수행하는 시간을 단축할 수 있으며, 웨이퍼(14)의 두께가 상이하더라도 리테이너 링(22)의 높이가 자동으로 조 절되기 때문에 웨이퍼(14)의 이탈 없이 연마를 수행할 수 있는 장점을 지닌다.

상기 벨로우즈(24)의 높이를 조절하기 위해서 연마 캐리어의 헤드부의 측면에는 높이 조절부재(26)가 형성된다. 도 3을 참조하면, 상기 높이 조절부재(26)는 안쪽 내면에 나사산(26a)이 형성된 링의 형태이며, 연마 캐리어의 측면에는 상기 링의 나사산과 맞물리는 나사산이 형성되어, 상기 링을 회전시킴으로써 상기 벨로우즈의 높이를 조절하도록 구성되어 있다.

즉, 리테이너 링(22)에 걸리는 예압의 양은 높이 조절부재(26)의 높이를 조정함으로써 변경할 수 있다. 높이 조절부재(26)는 나사산(26a) 등과 같이 적용이 용이한 구조나 자동 높이 조절장치 등이 응용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 본 발명의 원리를 설명하기 위한 CMP 연마 캐리어의 일부 단면도이다.

도 4의 (가)는 연마 캐리어(20)가 연마 패드(12)면과 접촉하기 직전의 모습을 도시하고 있으며, 도 4의 (나)는 연마 캐리어(20)가 하강 움직임에 의하여 연마패드(12)와 접촉했을 때의 모습을 도시하고 있다.

도 4의 (가) 상태에서, 연마 캐리어(20)를 아래로 하강시키면, 리테이너 링(22)과 연마 패드(12)면이 접촉을 시작하게 되면 요홈부(22a)과 스토퍼(28)에 의해 구속되어 있던 리테이너 링(22)이 연마 패드(12)와의 접촉에 의해 도 4의 (나)와 같이 위로 움직이게 되는 데, 이 경우 리테이너 링(22)에는 벨로우즈(24)의 예압에 의해 연마 패드(12)면에 가압이 가해짐으로 웨이퍼(14)면과 자동으로 일치하게 된다. 벨로우즈(24)는 연마 캐리어 헤드부에서 가해진 압력에 의해서 수축되고, 이에 따라 웨이퍼(14)가 연마 패드(12)면 상에 가압되어 위치하게 된다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 다양한 두께를 가지는 MEMS 구조물의 화학적 기계적 연마를 위하여 연마헤드에 벨로우즈에 의해 미리 예압이 걸려 있는 리테이너 링을 사용함으로써 종래의 소자용 화학적 기계적 연마뿐만 아니라 다양한 두께의 MEMS 구조물의 화학적 기계적 연마에 유동적으로 대응할 수 있는 장점을 가진다. 이에 다양한 두께를 가지는 MEMS 구조물의 제작과 소자용 화학적 기계적 연마에 있어서 연마헤드 제작과 대량 생산에 소요되는 비용의 절감 효과가 있다.

Claims (10)

1. 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마 캐리어를 구비한 화학적 기계적 연마 장치로서,

   리테이너 링(22)의 안쪽 내면을 따라 링 형상의 요홈부(22a)가 형성되고,

   연마 캐리어(15)의 헤드부(21)에는 상기 리테이너 링(22)의 요홈부(22a)에 수용되어 리테이너 링(22)의 이탈을 방지하는 스토퍼(28)가 형성되어, 상기 요홈부의 높이만큼 스토퍼(28)가 상하로 이동가능하며,

   상기 연마 캐리어의 헤드부(21)의 주위를 감싸도록 설치되어 상기 리테이너 링(22)을 탄성적으로 지지하는 벨로우즈(24)가 형성되며,

   상기 벨로우즈 상에 위치하며, 연마 캐리어 측면에 형성된 나사산과 맞물리는 나사산이 형성된 링 형태의 높이 조절 부재(26)가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
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6. 리테이너 링의 두께 조정 없이 서로 다른 두께의 웨이퍼를 연마할 수 있는 화학적기계적 연마 캐리어로서,

   리테이너 링(22)의 안쪽 내면을 따라 링 형상의 요홈부(22a)가 형성되고,

   연마 캐리어(15)의 헤드부(21)에는 상기 리테이너 링(22)의 요홈부(22a)에 수용되어 리테이너 링(22)의 이탈을 방지하는 스토퍼(28)가 형성되어, 상기 요홈부의 높이만큼 스토퍼가 상하로 이동가능하며,

   상기 연마 캐리어의 헤드부(21)의 주위를 감싸도록 설치되어 상기 리테이너 링(22)의 탄성적으로 지지하는 벨로우즈(24)가 형성되고,

   상기 벨로우즈 상에 위치하며 연마 캐리어 측면에 형성된 나사산과 맞물리는 나사산이 형성된 링 형태의 높이 조절 부재(26)가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 캐리어.
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