KR101134177B1 - Ｃｍｐ헤드의 리테이너 링 및 이를 포함하는 ｃｍｐ헤드 - Google Patents

Abstract

ＣＭＰ헤드의 리테이너 링 및 이를 포함하는 ＣＭＰ헤드가 제공된다.
본 발명에 따른 리테이너 링은 기판을 가압하기 위한 가요성 박막 및 상기 가요성 박막의 위주면에 구비되는 리테이너 링을 포함하며, 하부의 가요성 패드와 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 CMP 헤드의 리테이너 링에 있어서, 상기 리테이너 링의 내주면에는 가요성 부재가 삽입된 것을 특징으로 하며, 리테이너 링의 웨이퍼 고정효과와 함께 리테이너 링의 가압에 의한 리바운드 효과를 리테이너 링 자체가 흡수하여, 엣지 패스트의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

ＣＭＰ헤드의 리테이너 링 및 이를 포함하는 ＣＭＰ헤드{Retainer ring for CMP head, and CMP head having the same}

본 발명은 CMP 헤드의 리테이너 링 및 이를 포함하는 CMP 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리테이너 링의 웨이퍼 고정효과와 함께 리테이너 링의 가압에 의한 리바운드 효과를 리테이너 링 자체가 흡수하여, 엣지 패스트의 문제를 효과적으로 방지할 수 있는 CMP 헤드의 리테이너 링 및 이를 포함하는 CMP 헤드에 관한 것이다.

집적 회로는 일반적으로 도체, 반도체 또는 절연층을 연속 증착함으로써 기판, 특히 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 각 층이 증착된 이후에, 층은 회로 특성이 발생되도록 에칭된다. 일련의 층들이 연속적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외부 또는 최상층 표면, 즉 기판의 노출면은 점차 비평면화된다. 이와 같이 비평면인 외부면은 집적 회로 제조자에게 문제가 된다. 기판 외부면이 평면이 아니면, 그 위에 놓이는 포토레지스트 층도 평면이 아니다. 포토레지스트 층은 일반적으로 포토레지스트 상에 광 화상을 집중시키는 포토리소그래피 장치(photolithographic devices)에 의해 패턴화된다. 기판의 외부면이 너무 울퉁불퉁하면, 외부면의 피크와 골 사이의 최대 높이 차이는 화상 장치의 포커스 깊이를 초과할 것이며, 기판 외부면에 광 화상을 적절하게 집중시킬 수 없다. 포커스 깊이가 개선된 새로운 포토리소그래피 장치를 설계하는 것은 상당히 비싼 작업이다. 또 집적 회로 내에 이용되는 최소배선폭이 더 작아짐에 따라, 보다 단거리의 광 파장이 이용되어야 하며, 이로 인해 이용 가능한 포커스 깊이는 더욱 축소된다. 따라서 실질적인 평면 층 표면을 제공하기 위해 기판 표면을 주기적으로 평탄하게 할 필요가 있다.

화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP)는 평탄화의 한가지 방법으로서, 상기 화학 기계식 연마는 평탄화시키고자 하는 대상 웨이퍼(기판)가 연마 헤드에 장착되는데, 상기 기판의 연마 헤드 장착은 상기 연마 헤드의 하부면에 장착된 가요성 박막과 상기 기판의 접촉에 의하여 수행된다. 이후 가요성 박막과 접촉함으로써 헤드에 장착된 상기 기판은 상기 가요성 박막과의 접촉면에 대향하는 면이 회전하는 연마 패드에 접촉하게 된다. 이때 상기 헤드는 연마 패드에 대해 상기 기판을 가압하게 되며, 또한 상기 헤드는 기판과 연마 패드 사이에서 추가의 이동을 제공하도록 회전한다. 연마제 및 적어도 하나의 화학 반응제를 포함하는 연마 슬러리는 연마 패드 상에 분포되어 패드와 기판 사이 계면에서 연마 화학 용액을 제공한다. 이러한 CMP 공정은 상당히 복잡하며, 단순 습식 샌딩(wet sanding)과는 다르다. CMP 공정에서, 슬러리 내의 반응제는 반응 사이트를 형성하기 위해 기판의 외부면과 반응한다. 반응 장소를 갖는 연마 패드와 연마 입자의 상호 작용에 의해 연마가 이루어진다.

특히 CMP 공정은 연마 속도, 마무리 정도 및 편평도는 패드 및 슬러리 조합, 기판과 패드 사이의 상대 속도, 및 패드에 대해 기판을 누르는 힘에 의해 결정된다. 편평도 및 마무리 정도가 불충분하면 기판은 결함이 있게 되므로, 연마 패드와 슬러리의 조합은 필요한 마무리 정도 및 편평도에 의해 선택된다. 이러한 조건 하에서, 연마 속도에 의해 연마 장치의 최대 작업처리량이 정해진다. 연마 속도는 기판이 패드에 대해 압축되는 힘에 따라 달라진다. 특히, 이러한 힘이 커질수록, 연마 속도도 더 빨라진다. 캐리어 헤드가 불균일한 하중을 가한다면, 즉 캐리어 헤드가 기판의 한 영역에서만 더욱 큰 힘을 받게 된다면, 고압의 영역은 저압의 영역보다 더 신속하게 연마될 것이다. 따라서 하중이 불균일하면 기판은 불균일하게 연마될 것이다. 또환 CMP 공정의 한 가지 문제는 종종 기판의 엣지가 기판 중심과는 다른 속도(일반적으로 더 빠르고, 가끔씩 더 느린)로 연마되는 것이다. "엣지 효과(edge effect)"로 불리는 이 문제는 하중이 기판에 균일하게 적용되는 경우에도 발생한다. 엣지 효과는 기판의 주변부, 예를 들어 기판의 최외각 5 내지 10 mm에서 일반적으로 발생하는데, 이러한 엣지 효과는 기판의 전체 편평도를 감소시키고, 기판의 주변부를 집적 회로 내에서 이용하기에 부적합하게 하며, 수율을 감소시킨다.

도 1은 종래 기술에 따른 엣지 효과를 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, CMP 헤드에서 웨이퍼(110)의 이탈을 방지하고자 소정 이상의 힘으로 가압되는 리테이너 링(Retainer Ring, 111)이 개시된다. 상기 리테이너 링(111)은 웨이퍼(110)의 외주면을 따라 환형의 형태를 가지며, 상기 가압되는 리테이너 링(111)은 가요성 패드(112)를 누르게 된다. 이때 아래로 눌린 가요성 패드는 압축되는 힘에 대한 반발(리바운드, rebound)로서, 상기 웨이퍼의 외각면(엣지면)에서는 위로 팽창하게 된다(W 참조). 이와 같이 위로 팽창하는 패드(112, W)에 의하여, 동일한 힘으로 가압되어 회전하는 웨이퍼(110)의 외곽면은 그 중심면보다 강한 힘을 받게 되며, 그 결과 소위 “엣지 효과”라 불리는 현상, 즉, 외각면과 중심면의 식각속도가 차이나는 현상이 발생한다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 엣지 효과를 최소화할 수 있는 CMP 헤드용 리테이너 링 및 이를 포함하는 CMP 헤드를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판을 가압하기 위한 가요성 박막 및 상기 가요성 박막의 위주면에 구비되는 리테이너 링을 포함하며, 하부의 가요성 패드와 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 CMP 헤드의 리테이너 링에 있어서, 상기 리테이너 링의 내주면에는 가요성 부재가 삽입된 것을 특징으로 하는 CMP 헤드의 리테이너 링을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 가요성 부재는 상기 리테이너 링 내로 삽입되며, 상기 리테이너 링의 상기 가요성 부재와 상기 가요성 박막은 동일 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 가요성 부재와 가요성 박막은 실리콘 러버이며, 상기 가요성 부재의 높이는 상기 가요성 박막과 상기 가요성 부재가 접촉할 수 있는 수준이며, 상기 가요성 부재의 너비는 상기 가압되는 리테이너 링에 의하여 위로 돌출하는 가요성 패드가 상기 가요성 부재와 접촉할 수 있는 수준일 수 있다.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 리테이너 링을 포함하는 CMP 헤드를 제공한다.

본 발명에 따른 CMP 헤드용 리테이너 링은 가요성 박막과 동일한 재질의 가요성 부재를 내주면에 구비시킴으로써, 리테이너 링의 웨이퍼 고정효과와 함께 리테이너 링의 가압에 의한 리바운드 효과를 리테이너 링 자체가 흡수하여, 엣지 효과의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 엣지 효과를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 헤드용 리테이너 링의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링을 포함하는 CMP 헤드의 부분 단면도이다.
도 4는 도 3의 CMP 헤드에 웨이퍼가 로딩된 후를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 헤드의 리테이너 링이 아래로 가압되었을 때의 부분 단면도이다.

이하 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 하기의 내용은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 제한되거나, 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 CMP 헤드용 리테이너 링은 멤브레인과 동일한 가요성 특성을 갖는 가요성 부재가 안쪽으로 삽입된 형태로서, 내부의 가요성 박막은 가요성 패드의 반발 팽창을 흡수한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 헤드용 리테이너 링의 정면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링(200)은 환형의 내주면에 소정 너비의 가요성 부재(210)가 리테이너 링의 안쪽으로 삽입, 함몰된 형태이다. 특히 본 발명은 가요성 부재(210)로 상기 리테이너 링(200) 내부에 구비되는 멤브레인(미도시)과 동일한 종류(예: 실리콘 러버)를 사용함으로써, 가압-회전시 멤브레인과 리테이너 링 사이의 마찰 손실을 최소화하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링을 포함하는 CMP 헤드의 부분 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링(330)은 내주면에 소정 너비와 높이로 삽입된 가요성 부재(320)를 포함한다. 상기 리테이너 링(330)의 내부에는 원형의 가요성 박막(310)이 구비되며, 상기 가요성 박막(310)은 리테이너 링(330)의 내부에서 웨이퍼를 고정시키고, 힘을 가압하는 역할을 수행한다. 상기 가요성 박막(310)은 복수의 가압 영역으로 구분될 수 있으나, 적어도 가요성 박막(310)은 하부에서 웨이퍼를 고정시켜, 회전시키는 역할을 수행한다.

본 발명자는 특히 내부의 가요성 박막(310)과 리테이너 링(330)의 내주면은 적어도 회전시에는 접촉하게 되는 점에 착안하였으며, 상기 가요성 박막(310)과 동일 종류의 가요성 부재를 상기 리테이너 링(330) 내주면에 삽입하여, 사용함으로써, 회전시 발생하는 이종 재료간의 마찰 손실을 최소화하였다.

도 4는 도 3의 CMP 헤드에 웨이퍼가 로딩된 후를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 리테이너 링(330) 내부의 가요성 박막(310)의 하부면에 웨이퍼(W)가 접촉, 장착되며, 상기 가요성 박막(310)을 포함하는 헤드의 회전에 따라 상기 웨이퍼(W)가 회전하며, 이때 상기 가요성 박막은 소정의 힘으로 웨이퍼를 가압한다. 이때, 회전 및 가압에 따라 웨이퍼는 바깥으로 슬립(slip)될 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 웨이퍼 외부의 리테이너 링(330)은 적어도 상기 가요성 박막(310)의 가압력과 동일하거나 더 큰 힘으로, 아래로 가압된다. 이와 같이 아래로 가압되는 리테이너 링(330)에 의하여 하부 가요성 패드는 내부로 팽창(리바운드)되는데(도 1 참조), 본 발명은 상기 리바운드되는 가요성 패드를 리테이너 링의 가요성 내주면(320)으로 유도함으로써 직접 웨이퍼(W)와 가요성 패드가 접촉하는 것을 방지한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 헤드의 리테이너 링이 아래로 가압되었을 때의 부분 단면도이다.

도 5를 참조하면, 리테이너 링은 아래로 가압되며, 가압되는 리테이너 링의 경질부(530)는 가요성 패드(510)를 누르게 된다. 본 발명에 따른 리테이너 링은 특히 딱딱한 재질의 경질 부분(530)과 내주면의 가요성 부분(520)으로 이루어지며, 특히 경질 부분(530)의 가압에 따라 아래의 가요성 패드는 아래로 눌리게 되며, 그 반작용으로 인접한 가요성 패드의 일 부분(R)은 위쪽으로 팽창, 리바운드된다. 하지만, 상기 리바운드되는 가요성 패드의 위치는 리테이너 링의 내주면에 구비된 가요성 부분, 즉, 가요성 부재가 삽입된 부분(520)에 대응되며, 이에 따라 상기 가요성 부재는 내부로 압축된다.

특히, 본 발명은 가요성 패드(510)의 리바운드에 따라 압축되는 가요성 부재(520)에 의하여 회전하는 웨이퍼(W)가 가요성 박막의 로딩 위치에서 이탈되는 슬립 문제를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 압축되는 리테이너 링 가요성 부재는 그 밀도가 보다 높아지며, 이에 따라 가요성은 더 떨어지게 된다. 따라서, 회전에 따라 소정의 원심력이 발생하는 웨이퍼가 상기 가요성 부재(520) 내로 삽입되는 등의 슬립 문제를 효과적으로 해결한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 가요성 부재(520)는 가요성 박막과 동일한 종류로서, 실리콘 러버가 사용되었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.

200, 330: 리테이너 링 210, 320: 가요성 부재
310: 가요성 박막 510: 가요성 패드

Claims (7)

1. 기판을 가압하기 위한 가요성 박막 및 상기 가요성 박막의 외주면에 구비되는 리테이너 링을 포함하며, 하부의 가요성 패드와 접촉하여 웨이퍼를 연마하는 CMP 헤드의 리테이너 링에 있어서,
   상기 가요성 박막과 동일한 물질이며, 상기 가요성 부재와 접촉하는 가요성 부재가 상기 리테이너 링의 내주면에 삽입되며, 여기에서 상기 가요성 부재의 너비는 연마시 가압되는 상기 리테이너 링에 의하여 위로 돌출하는 가요성 패드 부분이 상기 가요성 부재와 접촉하는 수준인 것을 특징으로 하는 CMP 헤드의 리테이너 링.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 가요성 부재는 상기 리테이너 링 내로 삽입된 것을 특징으로 하는 CMP 헤드의 리테이너 링.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 가요성 부재와 가요성 박막은 실리콘 러버인 것을 특징으로 하는 CMP 헤드의 리테이너 링.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항, 제 2항 및 제 4항 중 어느 한 항에 따른 리테이너 링을 포함하는 CMP 헤드.

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