KR101096595B1 - 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정의 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장치에 있어서 웨이퍼를 평탄화하기 위하여 사용되어지는 CMP Head 의 구조에 대한 것으로, 본체부(Body)와; 본체부의 상단에 개구되어 설치되고, 진공 또는 에어 홀이 연결되어 외부에서 공기를 인입하기 위한 매니폴더(manifold) 부재(15)와; 상기 매니폴더 부재(15)에 흡입되는 공기(air or vacuum)의 세기에 따라 높이를 조절하는 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)와; 상기 매니폴더 부재(15)를 통해 인입된 공기의 누출 및 진공의 누설을 방지하기 위한 격벽으로 좌우 양측으로 설치되는 회전형의 제1다이어프램(Rolling Diaphram)(18a) 및 제2 다이어프램(18b)과; 상기 매니폴더 부재(15)에 형성되어 본체부의 내부로 공기(air or vacuum)를 투입하기 위한 내부에어존인입구(19)와, 멤브레인어셈블리를 흡착하기 위한 에어가 투입되는 멤브레인에어존인입구(20), 및 본체부의 외측으로 공기를 투입하기 위한 외부에어존인입구(21)와; 상기 내부에어존인입구(19)를 통과한 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 내부고무튜브(13a) 및 제 2 내부고무튜브(13b)와; 상기 멤브레인에어존인입구(20)를 통해 투여되는 공기를 인가 받아, 패드(pad)를 흡착하기 위한 멤브레인어셈블리(30)와; 상기 외부에어존인입구(21)로부터 투여되는 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)와; 상기 본체부에 내부에 설치되어 공기압을 전달하는 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a)와; 매니폴드(Manifold)부재(15)와 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a) 사이를 실링(sealing)하기 위한 클램프부재(11)와; 상기 멤브레인어셈블리(30)가 이탈되지 않도록 측부에서 지지하는 멤브레인가이드(membrane guide)(22)와; 상기 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)를 밑면에서 지지하도록 설치되어, 투여되는 압력을 멤브레인어셈블리(30)에 균등하게 분배하기 위한 공기장력블록(air tension block)(40);를 일체로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

CMP, CMP HEAD, 평탄화, 압력 균일, 매니폴드부재, 멤브레인어셈블리

Description

웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치{CHEMICAL-MECHENICAL POLISHING APPARATUS FOR WAFER FLATNESS}

본 발명은 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적 기계적 연마(CHEMICAL-MECHENICAL POLISHING; 이하, 'CMP' 라고도 함)용 헤드 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 장비 중 CMP 장치의 고정에 사용되는 CMP Head 를 이용하여 웨이퍼 그라인딩(grinding)(평탄화 공정) 시 진공을 이용하여 척킹(chucking) 하는 구조를 가지는 화학적기계적연마 헤드장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 고 집적화 및 대형화에 의한 제조 공정에 있어서 웨이퍼를 균일하게 하는 공정의 특성은 반도체 제조 수율 및 생산성 증대에 커다란 영향을 끼치고 있다.

특히 박막의 평탄화 공정인 CMP 공정에 있어서는 슬러리와 CMP 헤드(Head)의 회전에 의해 기계적 연마가 이루어지기 때문에 CMP 헤드에 의해 웨이퍼 상에 가해지는 압력을 균일하게 투여함은 공정 특성 개선 및 수율의 개선에 필수적인 사항이다.

먼저, 도 1을 참조하면서 일반적으로 이용되고 있는 CMP 장치의 구성 및 작 동을 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 CMP 장비의 개략적인 구성을 도시한 구성도이다. 도 1에서, 부호 1은 CMP 헤드(Head)를 도시하고, 부호 2는 패드(PAD)를 도시하며, 부호 3은 패드 컨디셔너(PAD Conditioner), 부호 4는 세정용으로 쓰이는 크린 컵(Clean Cup)을 각각 도시한다.

도 1을 참조하면, 세정이 진행되는 웨이퍼는 CMP 헤드(1)에 장착되어, 패드(2)의 가장자리로 이동하게 되고, 패드(2)에 안착된 상태에서 회전을 하게 된다. 그리고, 패드(2)로 슬러리가 공급된다(슬러리가 공급되는 것은 도시 생략). 이때, 패드 컨디셔너(3)도 같이 회전과 좌우로 이동하면서 패드(2)의 컨디셔닝을 행하게 된다.

이렇게 공정이 진행되는 웨이퍼는 반송장치를 통해 세정이 이루어지며, 다음 공정을 진행할 웨이퍼가 CMP 헤드(1)에 도달하기 전의 시간 동안 패드 컨디셔너(3)의 디스크 세정이 크린 컵(4)에서 이루어진다.

다음으로, 도 2는 종래의 CMP 헤드의 구조를 도시하는 구성도이고, 도 3은 종래의 CMP 헤드의 작동을 설명하기 위한 개요도이다.

도 2와 도 3을 참조하여 종래의 CMP 헤드의 구조를 설명하면 다음과 같다. 도면에서 부호 5는 리테이너 링(retainer ring), 부호 6은 연마 대상인 웨이퍼(wafer), 부호 7은 멤브레인어셈블리(membrane assembly), 부호 8은 멤브레인 내부고무튜브로 공기압을 투입하는 경로인 제 1 에어 존(air zone), 부호 9는 멤브레인어셈블리의 일측 단부 상면으로 공기압을 투입하는 제 2 에어 존, 부호 10은 멤브레인어셈블리의 타측 단부 상면으로 공기압을 투입하는 제 3 에어존을 각각 도시한다. 또, 부호 11은 클램프(CLAMP) 부재로, 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a)와 매니폴드(Manifold)부재(15) 사이를 실링(sealing)하기 위한 이동고무(moving rubber)부재(11a)를 끼워 설치되고, 상술한 캐리어 플레이트(10a)는 좌측에 설치된 내부고무튜브(inner tube)(13)와 우측에 설치된 외부고무튜브(outer tube)(12)를 장착하여 공급되는 공기(air)를 내부로 투여하는 경로 역할을 한다.

이러한 구조로 된 종래의 화학적기계적연마 헤드장치는 CMP 헤드(1)와 패드(2)의 회전에 의해 웨이퍼(6)를 평탄화하도록 연마하는 구조이며, 이때 웨이퍼(6)가 멤브레인어셈블리(7)에 흡착되는 패드(2)와 공기압의 투입에 의해 발생하는 진공에 의해 척킹(chucking)된다.

다음으로, 웨이퍼(6)를 기계적으로 연마하기 위해 위해 리테이너 링(5) 부재에 높은 압력을 가하여 패드(2)에 먼저 안착되어, 웨이퍼(6)가 CMP 헤드(1)의 외부로 이탈되는 것을 방지하게 된다. 이후 멤브레인어셈블리(7)와 외곽부에 압력을 가하며 회전하면서, 웨이퍼(6)의 표면을 연마하는 구조로 되어 있다.

종래의 구조에서의 웨이퍼(6)는 공정 진행 중 멤브레인어셈블리(7)에 완전히 밀착되는 구조가 아니기 때문에 상기 리테이너 링(5)의 내경을 웨이퍼(6)의 크기와 같게 하거나 거의 동일하게 하여야 동심원 형태의 웨이퍼(6)를 연마할 수 있게 된다. 이 과정에서 웨이퍼(6) 연마와 동일하게 리테이너 링(5)에 대한 마모도 발생하게 된다.

따라서, 반도체 생산 라인에서는 소정주기(주로 1~2주 주기)로 리테이너 링(5)을 교체할 필요성이 발생하여 생산 장치의 가동을 중지하는 시간이 생기게 되 어 제조원가를 불필요하게 상승시키는 원인이 되는 문제점이 있었다.

또, 도 2에서 도시한 일반적인 CMP 헤드 구조를 적용한 CMP 장치는 리테이너 링(5)의 크기에 따라 웨이퍼(6) 최 외곽부의 연마에 대한 조절이 어려운 문제점이 있었다.

또한, 웨이퍼(6)가 CMP 헤드(1)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위해 리테이너링(5)이 상기 패드(2)에 높은 압력을 가하면서 회전하게 되므로, 리테이너 링(5) 의 압착에 의해 패드(2) 표면에 미세한 굴곡이 발생할 수 있게 되며, 이렇게 하여 패드(2)에 변형이 발생하게 되면 웨이퍼 외곽부의 연마 정도를 제어하기 어렵게 하여 불량품을 생산하는 커다란 문제점이 되고 있었다.

도면을 참조하면, 패드(2)의 윗면에 웨이퍼(6)가 위치하게 되고, 이 들이 접하는 면에 리테이너 링(5)이 밀착되고 있음을 알 수 있다.

이 상태에서 진공의 공기가 투입이 되면, 중앙부에는 멤브레인 공기압(membrane air pressure)이 투여되고, 그 좌측과 우측으로는 내부고무튜브(13)와 외부고무튜브(12)를 통한 공기압(inner tube air pressure)이 투여되며, 양단으로는 리테이너 링(5) 부위에 공기압(retainer ring air pressure)이 투여되고 있음을 알 수 있다. 이 경우에 상기 리테이너 링(5)이 패드(2)에 압착되는 과정에서 공기압이 일정하게 투여되지 않는 현상이 발생하여 패드(2)의 표면에 미세한 굴곡이 형성될 수 있는 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 웨이퍼를 연마할 때 진공을 이용하여 멤브레인에 흡착한 상태에서 공정 진행하는 구조를 제공함으로써 패드의 미세한 변형을 방지하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼를 연마 공정중에 고정하는 구성이 아니라 진공에 의한 흡착을 행하여 멤브레인의 크기에 제한을 받지 않는 구성으로 함으로써 웨이퍼 상의 박막의 연마정도를 보다 일정하게 하고, 웨이퍼 외곽부의 연마 정도를 제어할 수 있도록 하여 수율의 개선이 가능한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 웨이퍼 연마시 진공으로 흡착을 하는 것과 함께 웨이퍼가 위치하지 않는 부분은 멤브레인 부재가 멤브레인 지지판(membrane support plate)에 의해 본딩되도록 구성함으로써 웨이퍼의 평탄화 정도를 향상시키고 생산성을 향상시키는 구조를 갖는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는, 본체부(Body)와; 본체부의 상단에 개구되어 설치되고, 진공 또는 에어 홀이 연결되어 외부에서 공기를 인입하기 위한 매니폴더(manifold) 부재(15)와; 상기 매니폴더 부재(15)에 흡입되는 공기(air or vacuum)의 세기에 따라 높이를 조절하는 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)와; 상기 매니폴더 부재(15)를 통해 인입된 공기의 누출 및 진공의 누설을 방지하기 위해, 상기 본체부의 내부 좌측과 우측의 양측으로 격벽을 형성하여 설치되는 회전가능한 제1다이어프램(Rolling Diaphram)(18a) 및 제2 다이어프램(18b)과; 상기 매니폴더 부재(15)에 형성되어 본체부의 내부로 공기(air or vacuum)를 투입하기 위한 내부에어존인입구(19)와, 멤브레인어셈블리를 흡착하기 위한 에어가 투입되는 멤브레인에어존인입구(20), 및 본체부의 외측으로 공기를 투입하기 위한 외부에어존인입구(21)와; 상기 내부에어존인입구(19)를 통과한 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 내부고무튜브(13a) 및 제 2 내부고무튜브(13b)와; 상기 멤브레인에어존인입구(20)를 통해 투여되는 공기를 인가 받아, 패드(pad)를 흡착하기 위한 멤브레인어셈블리(30)와; 상기 외부에어존인입구(21)로부터 투여되는 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)와; 상기 본체부에 내부에 설치되어 공기압을 전달하는 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a)와; 매니폴드(Manifold)부재(15)와 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a) 사이를 실링(sealing)하기 위한 클램프부재(11)와; 상기 멤브레인어셈블리(30)가 이탈되지 않도록 측부에서 지지하는 멤브레인가이드(membrane guide)(22)와; 상기 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)를 밑면에서 지지하도록 설치되어, 투여되는 압력을 멤브레인어셈블리(30)에 균등하게 분배하기 위한 공기장력블록(air tension block)(40);를 일체로 구비함으로써 달성할 수 있다.

이때, 상기 멤브레인어셈블리(30)는, 멤브레인(membrane) 부재(31)와, 멤브레인 부재(31)를 양측에서 지지하는 멤브레인 지지판(32)과, 상부에서 이를 고정시키기 위한 멤브레인 클램프(membrane clamp)와, 멤브레인 부재(31)와 멤버레인지지판(32)을 완충하는 멤브레인버퍼(34), 및 이들을 결합시켜 고정하기 위한 멤브레인 본딩부(36),로 이루어지는 것이 바람직하다.

또, 상기 멤브레인 부재와 멤브레인 가이드 사이는 공간을 밀봉(sealing)하기 위한 고무링(22a,22b)을 삽입하고, 상기 클램프부재(11)는 캐리어 플레이트(10a)와 밀봉하기 위한 이동고무부재(11a)를 삽입시켜 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)는, 투입되는 공기압력을 조절하기 위한 공기압력 조절구(adjustor)(50a)와, 투입되는 공기압력에 따라 높이를 조절하는 로드 브라켓(rod bracket)(50r)과, 공기압력 조절구(adjustor)(50a)에 삽입설치되어 탄성력을 부여하는 스프링부재(50s),를 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또, 상기 멤브레인어셈블리(30)는 멤브레인 클램프(33)에 의해 고정되고, 탄성력을 갖는 복수개의 텐션스프링 고정구(38)를 통해 공기장력블록(40)과 밀착되고,
상기 텐션스프링 고정구(38)는 텐션을 조절하는 텐션조절 너트(38a)와, 텐션조절 너트(38a)에서 연장되는 텐션스크류(38t)와, 텐션스크류(38t) 상에 끼워지는 탄성력을 갖는 텐션스프링(38s)을 구비하여 이루어지며, 텐션조절 너트(38a)와 텐션스크류(38t) 사이에는 설치되는 텐션스프링(38s)은 양측에 끼워지는 와셔(38b, 38d)를 통해 탄성지지되는 구성인 것이 바람직하다.

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본 발명의 일 실시 예에 따른 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치의 구성에 따르면, 웨이퍼 연마시 진공을 이용하여 멤브레인 부재에 흡착한 상태에서 공정을 진행하기 때문에 패드의 미세한 변형을 방지하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 구현할 수 있다.

또, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 연마 공정중에 웨이퍼를 고정하는 구성이 아니라 진공에 의한 흡착을 행하여 멤브레인의 크기에 제한을 받지 않는 구성으로 함으로써 웨이퍼 상의 박막의 연마정도를 보다 일정하게 하고, 웨이퍼 외곽부의 연마 정도를 제어할 수 있도록 하여 수율의 개선이 가능한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 구현할 수 있다.

또한 본 발명의 바람직한 실시 에에 따르면, 웨이퍼 연마시 진공으로 흡착을 하는 것과 함께 웨이퍼가 위치하지 않는 부분은 멤브레인 부재가 멤브레인 지지판(membrane support plate)에 의해 본딩되도록 구성함으로써 웨이퍼의 평탄화 정도를 향상시키고 생산성을 향상시키는 구조를 갖는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명하기로 한다.

(실시 예)

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 CMP 헤드의 구조를 개략적으로 도시하는 개략 구성도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 CMP 헤드의 작동을 설명하기 위한 구성도이며, 도 6은 도 5에 도시한 멤브레인어셈블리의 구조를 도시하여 작동을 설명하기 위한 구조도이다.

이하의 설명에서 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명함으로써 설명의 중복을 회피하고자 한다.

도 4를 참고하면, 부호 11은 클램프부재, 부호 11a는 상기 클램프부재(11)를 감싸 보호하는 이동고무부재를 도시한다. 부호 12a, 12b는 각각 제1 , 제2 외부고무튜브(Outer Ruber Tube)로 좌우 양측으로 2개를 CMP 헤드의 외측에 설치하고, 부호 13a, 13b는 각각 제1 , 제2 내부고무튜브(Inner Ruber Tube)로 좌우 양측으로 2개를 CMP 헤드의 내측에 설치된다. 또, 부호 10a는 공기압을 전달하는 캐리어 플레이트(carrier plate)이고, 부호 15는 에어를 인입하기 위한 매니폴더(manifold) 부재, 부호 19는 상기 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)측으로 에어를 투입하는 내부에어존인입구, 부호 20은 멤브레인에어존인입구, 부호 21은 상기 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b)측으로 에어를 투입하는 외부에어존인입구를 각각 도시한다.

또, 부호 22는 멤브레인어셈블리를 지지하는 멤브레인가이드(membrane guide)이고, 부호 30은 본 발명에 따른 멤브레인어셈블리(membrane assembly)를 도시하고, 부호 22a, 22b는 멤브레인어셈블리(30)와 멤브레인가이드(22)를 완충하여 연결하기 위한 고무링, 부호 40은 진공압의 압력을 조절하는 공기장력블록(air tension block)을 도시하는 것으로 외부고무튜브(12a, 12b)의 하부를 지지하도록 설치된다. 또, 부호 31은 멤브레인어셈블리(30)에 구비되는 멤브레인 부재를 도시하고, 부호 32는 상기 멤브레인부재(31)를 지지하는 멤브레인 지지판을 도시하고, 부호 33은 멤브레인어셈블리(30)를 상부에 고정시키기 위한 멤브레인 클램프(membrane clamp)를 각각 도시한다.

도 4 내지 도 6을 참조하여 작동을 설명하면, 본 발명에 의한 CMP Head는 내부에어존인입구(19)과 멤브레인에어존인입구(20) 또는 외부에어존인입구(21)를 통해 진공의 공기(air) 인가 된다.

상기 내부에어존인입구(19)를 통해 인가된 진공에어는 상기 캐리어 플레이트(Carrier plate)(10a)의 외곽부에 위치한 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b)를 팽창시켜 멤브레인어셈블리(30)에 포함되는 멤브레인 지지판(membrane support plate)(32)의 외곽에 공기압력을 인가한다.

상기 외부에어존인입구(21)를 통해 인가된 공기는 캐리어 플레이트(Carrier Plate)(10a)의 중앙부 양측에 위치한 제1 내부고무튜브(13a)와 제2 내부고무튜브(13b)를 팽창시켜 상술한 멤브레인 지지판(32)의 중앙부에 압력을 인가함으로써, 웨이퍼에 전해지는 힘을 균일하게 공급하여 웨이퍼(6)를 연마할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 화학적기계적연마 헤드장치에서는 리테이너 링(5)을 이용한 완충을 하지 않으면서, 직접적으로 공기압을 웨이퍼에 인가하지 않도록 하는 구성으로 하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 멤브레인가이드(22)는 캐리어 플레이트(Carrier Plate)(10a)와 멤브레인어셈블리(30)를 연결하고 보호하기 위하여 실링(sealing) 부재로 고무 링(rubber ring)(22a)을 설치하여 구성한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는 리테이너 링(5)이 직접 패드(2)와 접촉되지 않도록 구성하였고, 대신에 멤브레인가이드(22)를 채용함으로써 웨이퍼(6) 연마시에 리테이너 링(5)과 패드(2)가 직접 접촉되지 않도록 구성하였다.
즉, 도시한 바와 같이, 상부에 형성된 내부에어존인입구(19), 멤브레인에어존인입구(20) 및 외부에어존인입구(21)를 통해 공기를 투입하여, 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b) 및 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)를 통해 전체적으로 균일한 공기압을 패드(2)에 투여함으로써 웨이퍼(6)의 연마 공정에 있어서 패드(2)에 미세한 변형이 발생하지 않도록 작동하는 효과를 구현하였다.

또 종래의 구성에서와 같이 리테이너 링(5)의 작동에 의해 연마 공정 중의 웨이퍼(6)를 고정하는 구조를 이용하는 것이 아니라, 진공에 의해서 웨이퍼(6)를 먼저 흡착한 후 연마공정을 수행하기 때문에 멤브레인어셈블리(30)의 크기에 제한이 없다. 이러한 구조로 함으로써 보다 넓은 면적에 웨이퍼를 흡착하여 연마를 진행할 수 있도록 하여, 웨이퍼 상의 박막의 연마 정도가 더욱 균일하게 되고, 웨이퍼 외곽부의 연마 정도를 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 본 발명자의 실험결과 대략 10% 이상의 수율 개선이 가능한 효과를 구현하였다.

또한, 종래의 CMP 헤드에서는 멤브레인어셈블리로 에어 압력을 인가하여 웨이퍼를 연마하였기 때문에 웨이퍼가 위치하지 않는 부분의 멤브레인이 패드에 손상을 입게 되는 문제점이 발생하였으나,

본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는 연마 시 웨이퍼가 멤브레인어셈블리에 진공으로 흡착되어 연마가 진행 되고, 웨이퍼가 위치하지 않는 부분에 대해서도 고무링(22a, 22b)을 통해 멤브레인어셈블리(30)와 멤브레인가이드(22)를 본딩(bonding)하는 결합구조를 제공하여 웨이퍼에 균일한 압력을 공급함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 이를 통하여 불량률을 획기적으로 줄임으로써 생산성 향상을 구현하였다.

다음으로, 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는, CMP 헤드에 웨이퍼를 흡착하거나 분리(loading or unloding)하는 공정에 외부공기(air)와 진공(vacuum)이 동시에 사용 되는 구성으로, 도 4 내지 도 5에서 도시한 바와 같이, 내부에어존인입구(19)와 외부에어존인입구(21) 및 멤브레인에어존인입구(20)를 통해 에어와 진공이 작동하여 내부에 삽입된 고무튜브가 팽창 및 흡입되도록 작동한다.

도 6에서는 멤브레인어셈블리(30)의 세부 구조를 도시하고 있는데, 멤브레인(Membrane) 부재(31)은 실리콘 또는 이중합성고무(ethylene propylene diene M-class; EPDM) 등의 탄력 및 흡착성이 있는 재질로 구성되고, 진공을 사용하여 웨이퍼를 흡착하고 분리하는 기능을 수행한다. 이러한 멤브레인 부재(31)은 이것을 지지하는 멤브레인 지지판(Membrane Support Plate)(32)에 고정되고, 상기 멤브레인(31)과 멤브레인 지지판(32)은 이것을 결합하기 위해 멤브레인 본딩부(36)를 통해 고무 등으로 결합된다.

이러한 구성으로 되는 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는 웨이퍼를 분리(unloading) 할 때를 제외하고는 진공에 의해 웨이퍼를 흡착한 상태로 공정이 진행된다. 따라서, 진공흡착에 의해 평탄화되기 때문에 멤브레인 부재(membrane)의 변형이 적어지게 되어 수명의 연장 또는 개선이 가능하게 된다.

이의 작동을 보다 구체적으로 설명하면, 웨이퍼(6)가 멤브레인 부재(31)에 안착된 상태에서 멤브레인 지지판(32)이 웨이퍼 흡착 홀(hole)(31h) 내부로 대략 반구 형태로 팽창하게 되고, 이때 웨이퍼(6)와 멤브레인(31) 사이에 저압의 반구형 홀(도시 생략)이 생기게 된다.
이렇게 생성된 웨이퍼 흡착 홀(hole)(31h)을 통해 웨이퍼(6)를 흡착하게 되며, 본 발명에서는 균일한 웨이퍼 흡착 홀(hole)(31h)을 형성하기 위하여 상술한 바와 같이 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b) 및 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)를 통해 전체적으로 균일한 공기압을 투여하여 홀의 크기를 균등하게 하고 공기압의 분포를 균일하게 한다. 본 발명자의 실험에 의하면 20 psi 이상의 에어 압력에서도 누설(leak)이 발생하지 않아 압력 제어가 용이 한 것을 확인하였다.

다음으로는, 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에 적용되는 에어를 투입하기 위한 장치 및 멤브레인어셈블리의 세부 구성 및 작동에 대해 도 7 내지 도 11을 참조로 하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치의 세부 구성을 설명하기 위한 세부 구성도이고, 도 8은 도 7에 있어서의 멤브레인어셈블리의 내부 구조를 도시한 사시도이다. 또, 도 9는 도 7에 있어서의 승하강 스트로크 조절장치의 세부 구성을 도시하는 세부 구성도이며, 도 10은 도 7에 있어서의 공기장력블록의 구성 및 작용을 설명하기 위한 분해도이고, 도 11은 본 발명의 구성에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에 있어서 에어 인입구별 에어 및 진공통로의 구성을 설명하기 위한 구성도를 각각 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치(100)에는, CMP 헤드를 회전시키는 축에 연결되는 부재로, 진공 또는 에어 홀이 연결되어 외부에서 공기를 인입하기 위한 매니폴더(manifold)(15)가 설치되고, 상기 매니폴더(manifold)(15)에 흡입되는 에어 및 진공도의 강도에 따라 높이를 조절하는 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)가 상측에 구성된다.

또 CMP 헤드에는 상기 매니폴더 부재(15)를 통해 인입된 공기의 누출 및 진공의 누설을 방지하기 위해, 상기 본체부(body)의 내부 좌측과 우측의 양측으로 격벽을 형성하여 설치되는 회전가능한 제1다이어프램(Rolling Diaphram)(18a) 및 제2 다이어프램(18b)이 좌우 양측으로 설치된다.

또한, CMP 헤드의 내부에는 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b) 및 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)가 장착되고, 이들의 공기압을 제어하기 위한 공기장력블록(40)이 설치된다. 다음으로, CMP 헤드의 내부 밑면에는 멤브레인 지지판(32)과 멤브레인 버퍼(34)가 이중(dual)으로 구성되는 멤브레인어셈블리(30)가 설치된다. 여기에서 멤브레인 부재(31)의 크기는 웨이퍼(6)의 크기보다 약간 크게 구성하고 있는데, 그 이유는 연마되는 웨이퍼보다 멤브레인 부재가 큰 경우에도 균일한 압력을 받아 평탄화될 수 있기 때문에 균형있는 연마를 할 수 있기 때문이다. 본 발명의 예에서는 15mm 정도 멤브레인 부재의 크기가 큰 것으로 구성하였다.

이와 같은 구성으로 되는 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치는, 외부에서 공기(air)를 인입하여 승하강 스트로크 조절장치(50)를 작동하고, 내부에 투입되는 공기는 제 1 외부고무튜브(12a)와 제 2 외부고무튜브(12b) 및 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)를 통해 팽창하여 하부에 삽입되는 패드(2)를 흡착하게 된다. 여기에서, 공기장력블록(Air Tension Block)(40)을 통해 각 튜브의 장력을 조절하게 된다.

도 8을 참조하면, 멤브레인어셈블리(30)의 구성을 더욱 구체적으로 알 수 있는데, 멤브레인 부재(31)와, 이 멤브레인 부재(31)를 지지하기 위한 멤브레인 지지판(32)이 설치되고, 그 위에 완충장치로써 멤브레인 버퍼(membrane buffer plate)(34)가 설치된다. 또 멤브레인 본딩부(36)가 형성되어 멤브레인 부재(31)와 멤브레인 지지판(32)을 본딩결합하게 된다. 이 멤브레인 본딩부(36)는 고무등으로 구성할 수 있다.

상기 멤브레인 본딩부(36)는 웨이퍼(6)의 진공을 잡아주고(chucking) 연마시 멤버레인의 변형을 방지하는 효과를 구현한다. 이를 위하여, 멤브레인(31)의 표면을 고점착성처리를 함으로써 웨이퍼의 척킹력(chucking force)를 강화한다.

또, 멤브레인 지지판(32)과 멤브레인 버퍼(membrane buffer plate)(34)로 구성되는 듀얼플레이트(dual plate) 구성을 이루고 있는 본 발명의 장치는, 웨이퍼(6)의 척킹시 멤버레인 영역에 균일한 척킹력을 제공하기 위한 진공 공간(vacuum space)을 확보하기 위한 것이다. 또한, 상술한 제 1 내부고무튜브(13a)와 제 2 내부고무튜브(13b)에 공기압력을 인가할 때 국부적으로 발생하는 압력강하(down force)의 영향을 완화하도록 작동한다.

도 9는 본 발명에 적용되는 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)의 세부 구성을 도시하고 있다. 본 발명에 의한 매니폴더 부재(15)에 상부에 설치되는 승하강 스트로크 조절장치(50)는, 투입되는 공기압력을 조절하기 위한 공기압력 조절구(adjustor)(50a)와, 스프링 부재(50s)를 내장하고, 투입되는 공기압력에 따라 높이를 조절하는 로드 브라켓(rod bracket)(50r)으로 구성된다.

상기 공기압력 조절구(50a)는 스프링 부재(50s)를 구비하여 압력에 의해 승하강 이동한다. 공기의 흡입이 발생할 경우에 탄성력을 갖는 스프링 부재(50s)가 이동하여 상승 및 하강 스트로크(Rod Up/Down Stroke)를 발생한다. 이를 통하여 멤브레인 부재(31)와 패드(2)사이의 이격거리(distance)를 최소화하게 되는 기능을 수행하게 된다.

도 10은 본 발명에 적용되는 공기장력블록(Air Tension Block)(40)의 세부 구성을 도시한다. 상기 공기장력블록(40)은 CMP 헤드의 상부와 패드가 흡착될 때 평형도가 균일하지 못한 문제점을 해결하기 위하여 공기압력을 완충하기 위한 구성으로, 공기장력블록(40)의 평형도를 보상하고 연마하는 웨이퍼를 전면적으로 접할 수 있는(Contact) 구성을 달성한다.

상기 공기장력블록(40)은 멤브레인 부재(31)와, 멤브레인 지지판(32)과, 멤브레인 버퍼(34)와, 상기 멤브레인 지지판(32) 상에 고정용으로 설치되는 멤버레인 클램프(33)를 구비하는 하부의 멤브레인어셈블리(30)가, CMP 헤드와의 충격을 완충하기 위한 복수개의 텐션스프링 고정구(Tension Spring Fixture)(38)를 개재하여 설치된다.

이때, 상기 텐션스프링 고정구(38)는 텐션을 조절하는 텐션조절 너트(38a)와, 상기 텐션조절 너트(38a)에서 연장되는 텐션스크류(38t)와, 텐션스크류(38t) 상에 끼워지는 탄성력을 갖는 텐션스프링(38s)을 구비하여 이루어진다. 상기 텐션조절 너트(38a)와 텐션스크류(38t) 사이에는 설치되는 텐션스프링(38s)은 양측에 끼워지는 와셔(38b, 38d)를 통해 탄성지지된다.

이러한 구성으로 함으로써, 하부 구성부를 이루는 멤브레인부(30)와 상부 구성부에 설치되는 내부 및 외부고무튜브에 공기압력이 투입될 때 이 충격을 완충함으로써 하면에 투여되는 패드(2)에 균일하게 압력을 제공하고 평형성을 달성하게 된다.

도 11은 본 발명에 의한 에어 인입구별 에어 및 진공통로의 구성을 설명하기 위한 구조도이다. 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에 있어서, 공기를 인입하는 구역(zone)은 3종류로 구분된다. 이것은 제1 , 제2 내부튜브(13a,13b)에 에어를 투입하기 위한 내부에어존인입구(19)와, 제1 , 제2 외부튜브(12a,12b)에 에어를 투입하기 위한 외부에어존인입구(21) 및 멤브레인부(30)에 에어를 투입하기 위한 멤브레인에어존인입구(20)로 구분된다. 그리고 상기 본체부의 내부 좌측과 우측의 양측으로 격벽을 형성하여 설치되는 회전가능한 제1다이어프램(Rolling Diaphram)(18a) 및 제2 다이어프램(18b)을 설치한다.

상기, 제1 , 제2 내부고무튜브(13a,13b)는 내부에어존인입구(19)에서 연결되는 내부튜브 공기로(13c)가 형성되고, 제1 , 제2 외부튜브(12a,12b)에는 외부에어존인입구(21)로부터 연결되는 외부튜브 공기로(12c)가 형성되어, 하부 측에 투입되는 패드(2)에 공기압을 제공하게 된다.

이때, 상기 멤브레인에어존인입구(20)는 하부에 흡착되는 웨이퍼(6)를 척킹 또는 분리(chucking or dechucking)하도록 에어를 투여하게 된다.

상기 내부에어존인입구(19)를 통해 제공된 에어가 제1 , 제2 내부고무튜브(13a,13b)에 투여되는 공기압력을 제어하도록 웨이퍼 센서(도 7의 6s)를 구비하였다.

상기 외부에어존인입구(21)를 통해 투여되는 에어는 제1 , 제2 외부튜브(12a,12b)에 투여되는 공기압력을 제어하고, 상승 및 하강하도록 작동하게 한다.

이와 같이 진공의 공기압력을 패드(2) 및 웨이퍼(6)에 균일하게 투여함으로써, 불량률을 저감할 뿐만 아니라 연마속도를 향상시켜 생산성을 크게 증대할 수 있는 효과를 구현한다.

본 출원의 발명자는 상기와 같은 구성으로 된 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 종래의 화학적기계적연마 헤드장치와 비교하여, 공급되는 공기압과 웨이퍼에 적용되는 적용압력과의 관계를 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

도 12는 본 발명과 종래 기술에 의한 CMP 헤드에 있어서 공기압과 적용압력의 관계를 도시한 표 및 이에 대한 그래프를 도시하고, 도 13은 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에서의 웨이퍼의 슬라이딩 상태를 시험한 결과를 도시한 도표이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 공기압을 0~6.5 psi 범위 내에서 공급하면서, 본 발명에 의한 화학적기계적연마 헤드장치와 종래 기술에 의한 화학적기계적연마 헤드장치에서 웨이퍼에 적용되는 적용압력(Applied Pressure)에 대해 비교하였다.

그 결과, 본 발명에 의한 화학적기계적연마 헤드장치에서는 웨이퍼에 적용되는 압력이 0.1~37.7[Kg]으로 측정되었고, 종래 기술에 의한 화학적기계적연마 헤드장치에서는 0.5~53.9[Kg]으로 측정되었다. 이것으로 알 수 있는 바는 본 발명에 의한 화학적기계적연마 헤드장치를 이용하는 것이 그 변동 폭이 적고, 세밀한 압력의 조절이 가능한 것을 알 수 있다. 이로써 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 사용하면 웨이퍼를 손상시키지 아니하면서 균일한 압력으로 연마할 수 있는 효과를 갖는 것을 알 수 있다.

또, 도 13에서는 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치를 (a)에 도시한 바와 같은 테스트 조건하에서 시험한 바, (b)에 도시한 바와 같은 결과를 얻었음을 나타내고 있다.

여기에서 확인 할 수 있는 것은 투여되는 스트로크를 변경할 때, 멤브레인 압력을 6.5psi 이상으로 증가시켜도 웨이퍼의 슬라이딩이 발생하는 현상이 없음을 나타내고 있다. 이와 같이, 본원의 발명자는 웨이퍼를 안정적으로 고정하면서 연마할 수 있는 효과를 갖는 것을 확인하였다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형과 수정 가능함은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백한 것이며 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이라 할 것이다.

도 1은 일반적인 CMP 장비의 개략도,

도 2는 종래의 CMP 헤드의 구조를 도시하는 구성도,

도 3은 종래의 CMP 헤드의 작동을 설명하기 위한 개요도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 CMP 헤드의 구조를 개략적으로 도시하는 개략 구성도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 CMP 헤드의 작동을 설명하기 위한 구성도,

도 6은 도 5에 도시한 멤브레인어셈블리의 구조를 도시하여 작동을 설명하기 위한 구조도,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치의 세부 구성을 설명하기 위한 세부 구성도,

도 8은 도 7에 있어서의 멤브레인어셈블리의 내부 구조를 도시한 내부 구조도,

도 9는 도 7에 있어서의 승하강 스트로크 조절장치의 세부 구성을 도시하는 세부 구성도이며,

도 10은 도 7에 있어서의 공기장력블록의 구성 및 작용을 설명하기 위한 분해도이고,

도 11은 본 발명의 구성에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에 있어서 에어 인입구별 에어 및 진공통로의 구성을 설명하기 위한 구성도,

도 12는 본 발명과 종래 기술에 의한 CMP 헤드에 있어서 공기압과 적용압력의 관계를 도시한 표 및 이에 대한 그래프,

도 13은 본 발명에 의한 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치에서의 웨이퍼의 슬라이딩 상태를 시험한 결과를 도시한 도표.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

5 : 리테이너 링 6 : 웨이퍼

10a : 캐리어 플레이트 11 : 클램프 부재

11a : 이동고무부재 12a,12b : 제1 , 제2 외부고무튜브

13a,13b : 제1 , 제2 내부고무튜브 15 : 매니폴더

22 : 멤브레인가이드 30 : 멤브레인어셈블리

32 : 멤브레인 지지부 33 : 멤브레인 클램프

34 : 멤브레인 버퍼 36 : 멤브레인 본딩부

38 : 텐션스프링 고정구 40 : 공기장력블록

50 : 승하강 스트로크 조절장치

Claims (5)

1. 반도체용 웨이퍼를 평탄하게 연마하기 위한 화학적 기계적 연마(CMP) 헤드 장치에 있어서,

   본체부(Body)와;

   본체부의 상단에 개구되어 설치되고, 진공 또는 에어 홀이 연결되어 외부에서 공기를 인입하기 위한 매니폴더(manifold) 부재(15)와;

   상기 매니폴더 부재(15)에 흡입되는 공기(air or vacuum)의 세기에 따라 높이를 조절하는 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)와;

   상기 매니폴더 부재(15)를 통해 인입된 공기의 누출 및 진공의 누설을 방지하기 위해, 상기 본체부의 내부 좌측과 우측의 양측으로 격벽을 형성하여 설치되는 회전가능한 제1다이어프램(Rolling Diaphram)(18a) 및 제2 다이어프램(18b)과;

   상기 매니폴더 부재(15)에 형성되어 본체부의 내부로 공기(air or vacuum)를 투입하기 위한 내부에어존인입구(19)와, 멤브레인어셈블리를 흡착하기 위한 에어가 투입되는 멤브레인에어존인입구(20), 및 본체부의 외측으로 공기를 투입하기 위한 외부에어존인입구(21)와;

   상기 내부에어존인입구(19)를 통과한 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 내부고무튜브(13a) 및 제 2 내부고무튜브(13b)와;

   상기 멤브레인에어존인입구(20)를 통해 투여되는 공기를 인가 받아, 패드(pad)를 흡착하기 위한 멤브레인어셈블리(30)와;

   상기 외부에어존인입구(21)로부터 투여되는 공기를 인가받아 팽창 및 수축하는 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)와;

   상기 본체부에 내부에 설치되어 공기압을 전달하는 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a)와;

   매니폴드(Manifold)부재(15)와 캐리어 플레이트(carrier plate)(10a) 사이를 실링(sealing)하기 위한 클램프부재(11)와;

   상기 멤브레인어셈블리(30)가 이탈되지 않도록 측부에서 지지하는 멤브레인가이드(membrane guide)(22)와;

   상기 제 1 외부고무튜브(12a) 및 제 2 외부고무튜브(12b)를 밑면에서 지지하도록 설치되어, 투여되는 압력을 멤브레인어셈블리(30)에 균등하게 분배하기 위한 공기장력블록(air tension block)(40);를 일체로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인어셈블리(30)는, 멤브레인(membrane) 부재(31)와, 멤브레인 부재(31)를 양측에서 지지하는 멤브레인 지지판(32)과, 상부에서 이를 고정시키기 위한 멤브레인 클램프(membrane clamp)와, 멤브레인 부재(31)와 멤버레인지지판(32)을 완충하는 멤브레인버퍼(34), 및 이들을 결합시켜 고정하기 위한 멤브레인 본딩부(36),로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 부재와 멤브레인 가이드 사이는 공간을 밀봉(sealing)하기 위한 고무링(22a, 22b)을 삽입하고, 상기 클램프부재(11)는 캐리어 플레이트(10a)와 매니폴드(Manifold)부재(15) 사이를 밀봉하기(sealing) 위한 이동고무부재(11a)를 삽입시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 승하강 스트로크 조절장치(Up/Down Stroke Adjuster)(50)는, 투입되는 공기압력을 조절하기 위한 공기압력 조절구(adjustor)(50a)와, 투입되는 공기압력에 따라 높이를 조절하는 로드 브라켓(rod bracket)(50r)과, 공기압력 조절구(adjustor)(50a)에 삽입설치되어 탄성력을 부여하는 스프링부재(50s),를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인어셈블리(30)는 멤브레인 클램프(33)에 의해 고정되고, 탄성력을 갖는 복수개의 텐션스프링 고정구(38)를 통해 공기장력블록(40)과 밀착되고,

   상기 텐션스프링 고정구(38)는 텐션을 조절하는 텐션조절 너트(38a)와, 텐션조절 너트(38a)에서 연장되는 텐션스크류(38t)와, 텐션스크류(38t) 상에 끼워지는 탄성력을 갖는 텐션스프링(38s)을 구비하여 이루어지며, 텐션조절 너트(38a)와 텐션스크류(38t) 사이에는 설치되는 텐션스프링(38s)은 양측에 끼워지는 와셔(38b, 38d)를 통해 탄성지지되는 구성인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 평탄화 구조를 갖는 화학적기계적연마 헤드장치.

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