KR100832607B1 - 화학 기계적 연마기용 다이어프램 - Google Patents

화학 기계적 연마기용 다이어프램 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 화학 기계 연마기용 다이어프램에 관한 것이다. 다이어프램은 섬유층과 고무층으로 만들어져 있어, 다이어프램의 강도를 개선하고 변형 발생을 감소시킨다. 다이어프램의 크기와 형상은 다이어프램의 주름을 방지하고 회전 유닛의 측벽과 홀더의 마찰을 감소하기 위해서 회전 유닛과 샤프트 사이의 갭과 상대적 이동에 따라서 적절히 설계할 수 있다. 그러므로, 다이어프램의 수명이 개선될 수 있으며, 따라서, 연마기의 보수 횟수를 줄이고, 생산량을 높일 수 있다.

Description

화학 기계적 연마기용 다이어프램 {IMPROVED DIAPHRAGM FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHER}
도 1은 종래 기술에 따른 CMP 장비 내부의 패드 컨디셔너를 개략적으로 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 CMP 장비 내부의 패드 컨디셔너를 개략적으로 도시하는 횡단면도.
도 3은 본 발명에 따른 다이어프램의 부품을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 다이어프램을 개략적으로 도시하는 횡단면도.
도 5는 본 발명에 따른 다이어프램을 개략적으로 도시하는 평면도.
도 6은 본 발명의 다이어프램을 개략적으로 도시하는 입체도.
도 7은 본 발명의 다이어프램의 설계도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 화학 기계적 연마기 12 : 아암
20 : 회전 유닛 22 : 상부
24 : 하부 25 : 내측벽
26 : 내측 스페이스 30 : 다이어프램
31 : 외부 링 돌출부 32 : 외부 밀봉 링
34 : 접속링 35 : 내부 링 돌출부
36 : 내부 밀봉 링 40 : 홀더
42 : 샤프트 44 : 척
45 : 외측벽 50 : 웨이퍼
60 : 연마 패드 302 : 보강 섬유
304 : 고무층
d : 갭 거리
L : 상대적 이동 거리
본 발명은 화학 기계적 연마기 또는 화학 기계적 연마(CMP) 장비에 관한 것이며, 더 상세하게는 작업중 주름의 생성을 방지하고 수명을 연장하도록 강도와 연성을 개선할 수 있는, CMP 장비내의 패드 컨디셔너의 홀더와 회전 유닛 사이에 있는 다이어프램에 관한 것이다.
표면 평탄화는 포토리쏘그래피 공정의 정확성에 직접 영향을 주는 매우 중요한 기술이다. 표면이 평탄화되어 있을 때만, 노광의 스캐터링 효과를 피할 수 있어 원물과 동일한 패턴을 전송할 수 있다.
현재에, 스핀-온-글래스(spin-on glass(SOG))와 화학 기계적 연마(CMP)를 포함하는 두 개의 평탄화 기술이 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 반도체 제조 기술은 깊은 서브-마이크론 레짐(deep sub-micron regime)에 접근함에 따라서, 평탄도의 필요한 레벨은 스핀-온 그래스의 기술을 사용해서는 얻을 수 없다. 대형 접적(VLSI) 또는 초대형 집적(ULSL)내에서의 평탄도의 필요한 레벨을 제공하는 기술은 단지 화학 기계적 연마뿐이다. 화학 기계적 연마 공정에서, 그라인더에 사용된 것과 유사한 연마 이론이 화학 시약의 도움으로 사용된다. 그러므로, 불균일한 표면 프로파일은 평활해진다. 연마 매개변수의 적절한 제어로, 약 90%의 평탄도는 화학 기계적 연마를 사용해서 얻을 수 있다.
화학 기계적 연마기 또는 화학 기계적 연마(CMP)장비는 상부로 연마 슬러리가 공급되는 연마 패드 상에서 홀더와 함께 웨이퍼를 유지 및 회전시킴으로써 작업을 수행한다. 폴리싱 슬러리 내의 몇몇 연마제가 기판으로부터 기판으로의 오랜 연마시간 동안 연마 패드에 함침되어 있으므로, 연마 패드상에서 연마되는 기판에 스크래치를 형성하며 함침된 연마제에 의해 손상되어 연마 균일도를 감소시킨다. 그러므로, 사용된 연마 패드를 회복시키고 본래의 연마 조건과 상태로 회복시키기 위해 일반적으로 패드 컨디셔너가 CMP 장비 내에 사용된다. 통상적으로, 패드 컨디셔너는 주로 회전 유닛과 홀더를 포함한다. 홀더의 바닥에는 함침된 연마제 및 오염된 슬러리를 제거하고 본래의 연마 상태로 회복시키기 위해 사용되는 다이아몬드 디스크가 위치한다. CMP 장비의 패드 컨디셔너에 대한 추가의 설명은 미국 특허출원 제 09/052,798 호에 기술되어 있다.
종래의 패드 컨디셔너는 일반적으로 로봇 아암을 포함한다. 회전 유닛은 상기 로봇 아암의 한 단부에 조립되어 상기 유닛의 아래의 홀더를 회전시키도록 동력 공급 장치와 작동한다. 바닥에 다이아몬드 디스크를 갖는 홀더는 연마 패드상의 함침된 연마제와 오염된 슬러리를 제거하고 연마 패드의 본래의 연마 상태로 회복시키기 위해 사용된다. 탄성 및 가요성 고무 다이어프램은 회전 유닛과 홀더 사이에 배열되어 있다. 패드 컨디셔너의 회복 작업중에, 상기 고무 다이어프램은 회전 유닛과 홀더의 상대 변위로 인해서 꽉끼여 비틀려지고, 그러므로 주름을 형성한다. 다이어프램의 회전 유닛 측벽과 홀더와의 마찰에 인해 다이어프램으로부터 발생된 마찰력은 다이어프램 상에 가압된다. 상기 마찰력에 의해 생성된 다이어프램상의 축적된 변형은 피로 및 노쇠를 초래하고 결국에는 파괴를 초래한다. 그러므로, 다이어프램의 수명을 감소시킨다. 따라서, CMP 장비의 보수 횟수가 증가하여 CMP 장비의 생산력을 감소시킨다.
본 발명은 화학 기계적 연마기용 개선된 다이어프램을 제공하고자 하는 것이다. 회전 유닛과 홀더 사이의 갭 및 상대적 이동 거리에 따라 적합하게 설계된 다이어프램은 강도와 연성이 개선되며 회전 유닛과 홀더 측벽과의 마찰을 감소시켜 다이어프램의 수명이 개선된다.
본 발명은 화학 기계적 연마기용 개선된 다이어프램을 제공한다. 상기 다이어프램은 회전 유닛과 홀더를 접속하기 위한 고무층, 및 상기 고무층의 강도를 보강하기 위해 상기 고무층에 부착된 섬유층을 포함한다. 상기 홀더는 회전 유닛에 끼워지며 상기 회전 유닛과 홀더 사이의 갭은 고무층과 섬유층으로 밀봉된다.
본 발명은 화학 기계적 연마기용 개선된 다이어프램도 제공한다. 상기 다이어프램은 회전 유닛의 내측벽상에 장착된 외부 밀봉 링과, 홀더의 외측벽상에 장착된 내부 밀봉 링, 및 상기 외부 밀봉 링과 내부 밀봉 링 사이에 부드럽게 접속된 접속링을 포함한다. 접속링은 회전 유닛과 홀더사이의 갭 거리와 최대 상대적인 이동 거리 사이에 따라서 설계된다. 외부 밀봉 링, 접속링 및 내부 밀봉 링은 일체형으로 형성될 수 있다. 외부 밀봉 링, 접속링 및 내부 밀봉 링 각각은 섬유층과 고무층으로 만들어질 수 있다.
본 발명의 전술한 장점 및 그에 따른 부수적인 다수의 장점들은 첨부 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
본 발명은 화학 기계적 연마기를 위한 섬유층과 고무층으로 구성되어 강도와 연성을 향상할 수 있는 개선된 다이어프램을 제공한다. 다이어프램의 크기와 형상은 주름 발생을 방지하여 다이어프램의 수명을 증가시킬 수 있도록 회전 유닛과 홀더 사이의 갭 및 상대적 이동 거리에 따라 설계된다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 CMP 장비내의 패드 컨디셔너의 대략적인 사시도가 도시되어 있다. 패드 컨디셔너(10)는 로봇 아암(12)을 포함한다. 회전 유닛(20)은 아암(12)의 한 단부에 조립되어 있으며, 모터와 같은 전력 공급 장치(도시 않음)는 아암(12)의 다른 단부에 배열되어 있다. 회전 유닛(20)은 전동 벨트와 같은 전동 장치(도시 않음)를 통한 동력 공급장치에 의해 작동된다. 제어 시스템(도시되지 않음)은 연마 패드(60)상에 홀더(40)를 이동시키도록 아암(12)의 운동을 제어하기 위해서 추가로 세팅될 수 있다. 회전 유닛(20)과 함께 회전된 홀더(40)는 바닥에 다이아몬드 디스크를 가지며, 이 디스크는 함침된 연마제와 오염된 슬러리를 제거하고 연마 패드(60)의 본래의 연마 상태로 회복하는데 사용된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 장비내의 패드 컨디셔너가 개략적인 횡단면도로 도시되어 있다. 회전 유닛(20)은 상부(22) 및 하부(24)로 이루어지며, 상기 홀더(40)는 샤프트(42)와 상기 샤프트(42)의 바닥에 있는 디스크(44)로 이루어진다. 회전 유닛(20)의 바닥 중심에는 원통형 구멍(26)이 있으며, 상기 홀더(40)의 샤프트(42)는 회전 유닛(20)의 구멍(26)에 끼워져 있다. 본 발명의 다이어프램(30)은 회전 유닛(20)과 샤프트(42) 사이에 배열된다. 다이어프램(30)은 환형의 접시처럼 보인다. 다이어프램(30)의 외측부는 상하부(22,24)와 일반적으로 클램핑 접속되는 회전 유닛(20)에 삽입되며, 다이어프램(30)의 내측부는 샤프트(42)에 삽입된다.
회전 유닛(20)이 작동되어 회전되면, 다이어프램(30) 및 샤프트(42)는 홀더(40)를 회전시키도록 회전 유닛(20)과 함께 회전된다. 홀더(40)의 바닥에는 다이아몬드 스크린으로 덮힌 다이아몬드 디스크(44)가 위치되어 있다. 다이아몬드 디스크(44)를 회전시킴으로써 연마 패드(60)상의 포획된 연마제와 오염된 슬러리가 제거될 수 있고 본래의 연마 상태가 회복될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다이어프램(30)의 부품이 도시되어 있다. 다이어프램(30)은 탄성 및 가요성 고무층(304)과, 고무층(304)에 부착된 망 구조의 섬유층(302)으로 구성된다. 고무층(304)은 다이어프램(30)용 전통적인 고무 재료를 사용할 수 있다. 섬유층(302)은 나일론 66 또는 이와 유사한 재료 등의 보강 섬유로 제조된다. 섬유층(302)과 고무층(304)을 결합하기 위한 적합한 접착제가 사용될 수 있다.
섬유층(302)이 본 발명의 다이어프램(30)상에 사용되기 때문에, 다이어프램(30)의 강도와 유연성은 증가될 수 있고 마찰로 인해 생긴 변형이 제거될 수 있다. 다이어프램(30)의 품질을 개선하면, 다이어프램(30)이 회전 및 상대적 모션 하에 있을 지라도 파손 발생이 방지되며, 그러므로 다이어프램(30)의 수명을 개선할 수 있다.
다음에 다이어프램의 설계가 기술되어 있다. 도 4, 도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 다이어프램의 개략적인 횡단면도, 평면도 및 입체도이다. 도 4, 도 5 및 도 6을 동시에 참조하면, 샤프트(42)는 회전 유닛(20)에 끼워진다. 회전 유닛(20)의 내면에는 내측벽(25)이 있으며, 샤프트(42)의 외면에는 외측벽(45)이 있다. 회전 유닛(20)과 샤프트(42)사이, 즉 내측벽(25)과 외측벽(45)사이의 거리(d)의 갭이 있다.
본 발명의 다이어프램(30)은 환형 접시(angular dish)처럼 보이고 일체형으로 형성될 수 있다. 다이어프램(30)은 3부분, 외부 밀봉 링(32), 내부 밀봉 링(36) 및 이들 사이의 접속링(34)으로 이루어져 있다. 외부 밀봉 링(32)의 외부 바닥에는 회전 유닛(20)내에 외부 밀봉 링(32)을 결합 장착하기 위해서 하부(24)의 그루브에 내장된 외부 링 돌출부(31)가 있다. 외부 밀봉 링(32)은 일반적으로 설치의 편리를 위해서 상부(22)와 하부(24)사이에 위치되어 있다. 유사하게, 내부 밀봉 링(32)의 내부 바닥에는 샤프트(42)의 그루브로 내부 밀봉 링(36)을 결합 장착하기 위해서 내부 링 돌출부(35)가 있다.
접속링(34)은 외부 밀봉 링(32)과 내부 밀봉 링(36)사이에 부드럽게 접속되어 일체형이 된다. 다이어프램(30)은 홀더(40)의 샤프트(42)와 회전 유닛(20)사이의 갭을 밀봉시키므로 내측 스페이스(26)의 공기기밀을 달성한다. 접속링(34)의 크기 설계는 매우 중요하다. 접속링(34)이 너무 넓으면, 주름은 샤프트(42)와 회전 유닛(20)의 회전과 상대적 운동에 의해서 이들 사이에서 쉽게 발생되므로, 비틀림과 뒤틀림을 가져오고, 심지어 파괴를 가져온다. 그러므로, 접속링(34)의 폭은 외부 밀봉 링(32)과 내부 밀봉 링(36)사이의 최대 상대적 이동 거리(L)와 갭 거리(d)에 따라서 설계될 수 있다. 다이어프램(30)의 폭은 (L2 + d2)1/2보다 약간 크게 될 수 있으며, 양호하게는 1.1 - 1.6배, 보다 양호하게는 1.1 - 1.3 배이다. 접속링(34)의 예상치 않은 부분이 제거되어 주름 발생 가능성을 줄일 수 있다. 그러므로, 내측벽(25)과 외측벽(45)사이의 접속링(34)의 마찰을 감소할 수 있다. 그리고 다이어프램(30)의 수명을 증가할 수 있다.
[예]
본 발명의 장점과 성능을 더 실현하기 위해서, 상세한 설계도가 한 예로서 사용된다. 도 7을 참조하면, 내부(24)의 내부 구멍의 직경(R1)은 35mm일 수 있고, 샤프트(42)의 직경(H1)은 26mm일 수 있다. 섬유층(302)과 고무층(304)을 포함하는 다이어프램(30)의 두께(t1)는 2mm일 수 있다. 다이어프램(30)의 외경(D1)은 46mm일 수 있으며, 내경(D2)은 19.5mm일 수 있다. 여기서, 외부 링 돌출부(31)와 내부 링 돌출부(35)의 폭(P)과 두께(t2 -t1)는 하부(24)와 샤프트(42)내에 다이어프램(30)을 장착하기 위해서 1.8mm와 1mm일 수 있다. 회전 유닛(20)과 샤프트(42)사이의 갭 거리(d)는 4.5mm일 수 있고, 이들의 상대적 이동 거리(L)는 6mm일 수 있다. 그러므로, 접속링(34)의 폭은 7.5mm 보다 약간 크다. 외부 밀봉 링(32)과 내부 밀봉 링(36)사이의 접속링(34)의 접속부는 여기서 집중되는 변형을 방지하도록 아크 형상으로 설계될 수 있다. 접속부의 곡률 반경(R)은 1.5mm일 수 있다. 다이어프램(30)을 손상시키는 접속부에 이웃한 하부(24)의 코너에서의 뾰족함을 방지하기 위해서, 코너는 또한 아크 형상으로 설계될 수 있다. 그러므로, 다이어프램(30)상의 마찰을 크게 줄일 수 있다. 본 발명의 상술한 설계예는 본 발명을 제한하기 보다는 이해를 위한 것이며, 이들은 첨부 청구범위의 사상과 범위내에 포함되어 있다.
상술한 설명에 따라서, 본 발명은 개선된 화학 기계 연마기용 다이어프램을 시사한다. 섬유층과 고무층으로 만든 다이어프램은 강도와 유연성을 증가시켜서 다이어프램의 내구성을 보다 개선한다. 설계자는 주름 발생을 방지하고 다이어프램과 측벽사이의 마찰을 해제하기 위해서 회전 유닛과 샤프트 사이의 갭 거리와 상대적 이동 거리에 따라서 다이어프램의 크기와 형상을 적절히 설계할 수 있어, 다이어프램의 수명을 연장할 수 있다. 따라서, 화학 기계적 연마기의 보수 횟수를 줄일 수 있고, 따라서 생산량을 증가시킬 수 있다.
이 기술분야의 종사자에 의해서 이해될 수 있듯이, 상술한 본 발명의 양호한 실시예는 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니고 단지 본 발명을 설명한 것이다. 본 발명은 첨부의 청구범위의 정신과 범주내에 포함된 다양한 개량과 유사한 장치를 커버하며, 본 발명의 범주는 이런 개량과 유사한 구조를 모두 포함할 수 있도록 가장 넓은 해석에 따라서 이루어져야 한다.

Claims (19)

  1. 화학 기계적 연마기용 다이어프램으로서,
    회전 유닛과 홀더를 접속하기 위한 고무층, 및
    상기 고무층의 강도를 보강하기 위해 상기 고무층에 부착된 섬유층을 포함하며,
    상기 홀더는 상기 회전 유닛에 끼워지며 상기 회전 유닛과 상기 홀더 사이의 갭은 상기 고무층에 의해 밀봉되는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유층의 구조는 망 구조를 포함하는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고무층과 상기 섬유층은 링 구조를 가지는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다이어프램은 상기 회전 유닛과 함께 회전되는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 홀더의 바닥은 다이아몬드 필름을 더 포함하는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 홀더는 회전함으로써 연마 패드를 회복시키는,
    화학 기계적 연마기용 다이어프램.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 화학 기계적 연마기로서,
    회전 유닛,
    상기 회전 유닛으로 끼워지는 홀더, 및
    상기 회전 유닛과 상기 홀더를 접속하고 상기 회전 유닛과 상기 홀더사이의 갭을 밀봉시키는, 고무층과 섬유층으로 구성된 다이어프램을 적어도 포함하는,
    화학 기계적 연마기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 섬유층의 구조는 망 구조를 포함하는,
    화학 기계적 연마기.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 다이어프램은 링 구조를 가지는,
    화학 기계적 연마기.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 다이어프램은 상기 회전 유닛과 함께 회전되는,
    화학 기계적 연마기.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 홀더의 바닥은 다이아몬드 필름을 더 포함하는,
    화학 기계적 연마기.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 홀더는 회전함으로써 연마 패드를 회복시키는,
    화학 기계적 연마기.
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