KR101212501B1 - 캐리어 헤드의 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상기 멤브레인이, 연마하고자 하는 웨이퍼와 맞닿는 평탄면과; 상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하도록 상기 평탄면으로부터 연장되고 중앙부에 관통 형성된 링형 수용부가 형성된 링형의 격벽과; 상기 격벽의 소재보다 휨 강성이 낮은 소재로 형성되어 상기 링형 수용부에 개재되는 링 형상의 연성 개재물을; 포함하여 구성되어, 인접한 챔버의 압력 차이가 발생되거나 캐리어 헤드로부터 격벽의 판면 방향으로 힘(F')이 전달되는 것을 상쇄시켜 웨이퍼의 균일한 연마가 일어나도록 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

캐리어 헤드의 멤브레인{MEMBRANE IN CARRIER HEAD}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼 흡착면을 제공하는 멤브레인이 다수의 챔버로 형성된 경우에 챔버 별로 압력 제어를 하는 과정에서 챔버 격벽에 수직력이 작용하더라도 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있도록 하는 캐리어 헤드의 멤브레인을 제안한다.

화학기계적 연마(CMP) 장치는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.

이러한 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드는 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 잡아주거나 수용하는 장치로서, 멤브레인(membrane) 타입의 캐리어 헤드가 주로 사용되고 있다. 또한, 웨이퍼의 표면에 단순히 균일한 압력을 가하여 막질을 전체적으로 고르게 연마하기 위하여, 하나의 큰 챔버로 웨이퍼의 표면에 압력을 가하는 경우에는 국부적으로 압력 차이가 발생되어 웨이퍼가 균일하게 연마되지 않을 수 있으므로, 최근에는 웨이퍼에 인가되는 압력을 수개의 챔버로 나누어 조절할 수 있는 다중영역분할 연마식의 캐리어 헤드 기술이 제안된 바 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 다중영역분할 연마식 멤브레인형 캐리어 헤드(H)의 구조 및 각 분할 챔버(C1)(C2)로 소정의 공기압(P1)(P2)이 부하되었을 때의 작동상태를 각각 개략적으로 도시한 것이다.

상기 캐리어 헤드(H)의 저면부에 설치되는 멤브레인(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 그 상면 쪽에 링형의 격벽(120)이 일체로 형성되어 격벽(120)에 의해 내측 챔버(C1)와 외측 챔버(C2)가 각각 분리될 수 있도록 된 구조를 이루는 것으로서, 상기 멤브레인(110)의 상측에서 멤브레인 플레이트(11)와 멤브레인 클램프(12)로 고정되는 구조를 이루고 있다. 그리고, 캐리어 헤드(H)에 파지되는 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(H)의 하측을 둘러싸는 리테이너링(3)에 의해 CMP공정 중에 위치 고정된다.

상기의 캐리어 헤드(H)는 외부에서 제어된 공압을 공급받아 제1공기통로(2) 및 제2공기통로(24)를 통해 내측 챔버(C1)와 외측 챔버(C2)에 각각 공급되어, 멤브레인(110)이 공압에 의해 그 저면에 놓이는 웨이퍼를 가압한다. 이 때, 도2에 도시된 바와 같이 내측 챔버(C1)와 외측 챔버(C2)의 공압(P1, P2)이 균일하게 인가되는 경우에는 멤브레인(110)의 저면에 놓이는 웨이퍼의 연마 상태가 일정하게 조절될 수 있지만, 내측 챔버(C1)와 외측 챔버(C2)에 인가되는 공압(P1, P2)에 차이가 생기는 경우에는, 링형 격벽(120)을 사이에 두고 챔버(C1, C2) 간에 압력차이가 발생된다.

예를 들어, 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는 박막은, 성막시의 방법이나 장치의 특징에 따라 반경 방향으로의 막 두께 분포를 가지고 있다. 이에 따라, 막 두께 분포에 따라 웨이퍼(W)의 표면을 서로 다른 압력을 가하여 압력을 가할 수도 있다. 이와 같이, 내측 챔버(C1)와 외측 챔버(C2)에 인가되는 공압의 차이(P1-P2)가 발생되면, 고압의 내측 챔버(C1)가 격벽(120)의 주변 영역(X)을 바깥(66, 66')으로 밀어내려는 힘이 발생되고, 이에 따라 도3에 도시된 바와 같이 격벽(120)과 멤브레인(110)이 바깥으로 휘는 현상이 발생된다.

이 때, 멤브레인(110)이 위치 고정되도록 상방으로 연장된 링형 격벽(120)은 멤브레인(110)의 평탄면(110s)에 비하여 상대적으로 길이가 짧고, 멤브레인(110)의 위치를 안정적으로 고정하기 위해 격벽(120)의 두께를 통상 두껍게 형성되어 격벽(120)의 강성이 멤브레인(110)의 강성보다 크므로, 챔버의 압력차에 의하여 격벽(120)은 굽어지기 보다는 직선 형태를 유지하면서 바깥 방향(66')으로 휘어지려고 하고, 이에 따라 멤브레인(110)은 평탄면이 밀리는 현상이 발생된다.

이와 같이 멤브레인의 평탄면이 국부적으로 밀리는 현상은 결국 CMP공정에서 웨이퍼를 예정된 두께로 정밀 연마하지 못하고, 격벽(120)의 위치에서 불연속적으로 연마되는 한계를 야기하였다.

이와 동시에, CMP공정을 위해서는 캐리어 헤드(H)는 웨이퍼(W)를 회전하는 연마정반(미도시)에 접촉시키기 위해 하방(y)으로 이동함에 따라, 멤브레인 플레이트(11)와 멤브레인 클램프(12)의 맞닿아 그 사이에 고정된 격벽(120)에도 하방으로 이동하는 힘(F')이 작용하게 된다. 따라서, 도3에 도시된 바와 같이 격벽(120)에 의해 하방으로 작용하는 힘(F')에 의해 격벽(120)의 하측에 위치한 멤브레인(110)의 영역은 그 이외의 영역에 비하여 연마되는 정도가 달라지는 문제가 야기된다.

따라서, 다수의 챔버에 공압을 각각 제어하여 정밀 연마하는 CMP 캐리어 헤드에 있어서, 챔버에 인가되는 공압의 차이가 발생되거나 캐리어 헤드(H)가 하방으로 이동 하는 경우에, 격벽(120)에 의해 웨이퍼의 연마가 불연속적으로 이루어지는 문제가 발생되므로, 이와 같은 불연속적인 연마를 해결하고자 하는 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 캐리어 헤드의 다수의 챔버에 인가되는 공압 차이가 발생되거나 캐리어 헤드가 하방으로 이동하는 경우에도, 격벽의 주변에서 웨이퍼의 연마 정도가 불연속적으로 행해지지 않고 연속적으로 행해지도록 하는 캐리어 헤드의 멤브레인 및 이를 구비한 캐리어 헤드을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 웨이퍼 흡착면을 제공하는 멤브레인에 있어서, 상기 멤브레인은, 연마하고자 하는 웨이퍼와 맞닿는 평탄면과; 상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하도록 상기 평탄면으로부터 연장되고 중앙부에 관통 형성된 링형 수용부가 형성된 링형의 격벽과; 상기 격벽의 소재보다 휨 강성이 낮은 소재로 형성되어 상기 링형 수용부에 개재되는 링 형상의 연성 개재물을; 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 챔버를 구획하는 멤브레인의 격벽의 소재보다 휨 강성이 낮은 소재인 연성 개재물이 격벽의 링형 수용부에 개재됨으로써, 인접한 챔버의 압력 차이가 발생되면 휨 강성이 낮은 연성 개재물이 압력 차이에 의해 휨 변형이 유도되어, 격벽 주변에서의 압력 차이를 완화시켜 CMP공정에 의해 정밀 연마되는 웨이퍼의 연마 정도가 연속적으로 행해지도록 하기 위함이다.

이 뿐만 아니라, 케리어 헤드가 하방으로 이동하는 등 다양한 원인에 의하여 멤브레인의 격벽을 파지하고 있는 베이스에 의해 하방으로의 힘이 격벽에 가해지더라도, 격벽을 따라 전달되는 힘에 의해 연성 개재물이 전달되면, 연성 개재물이 낮은 휨 강성을 갖고 있으므로 자체적으로 휨 변형이 유도됨로써, 격벽을 따라 전달되던 힘이 멤브레인의 평탄면에 전달되지 않고 상쇄되므로, 격벽에 의해 웨이퍼가 보다 가압됨에 따라 격벽 주변에서 불연속적으로 연마되었던 종래의 문제를 해결하고, 격벽 주변의 웨이퍼에 대해서도 연마 정도를 연속적으로 유지시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이 때, 상기 연성 개재물은 상하측에 상기 격벽의 일부를 수용하는 수용부를 구비하여, 상기 연성 개재물의 위치가 보다 견고하게 고정되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 연성 개재물의 휨 변형이 스스로 복귀할 수 있도록 상기 연성 개재물은 탄성재로 형성된 것이 바람직하다.

상기 연성 개재물은 상기 멤브레인 평탄면으로부터 수직으로 연장된 부분에 형성되어, 격벽을 따라 수직 방향으로 전달되는 힘을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서, 상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하는 링형의 격벽이 평탄면으로부터 수직으로 연장 형성되고, 상기 격벽에 기포가 원주 방향을 따라 분포되어 위치한 상기와 같이 구성된 멤브레인과; 상기 멤브레인의 연장 끝단을 고정하는 베이스와; 상기 챔버마다 제어된 압력을 공급하는 압력 공급부를; 포함하여 구성된 캐리어 헤드를 제공한다.

본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 챔버를 구획하는 멤브레인의 격벽 소재보다 휨 강성이 낮은 소재인 연성 개재물이 격벽의 링형 수용부에 개재됨으로써, 인접한 챔버의 압력 차이가 발생되거나 캐리어 헤드로부터 격벽의 판면 방향으로 힘(F')이 전달되는 것을 상쇄시켜 웨이퍼의 균일한 연마가 일어나도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은 연성 개재물이 격벽에 위치함으로써 인접한 챔버의 압력차이가 있는 경우에 연성 개재물의 휨 변형에 의해 멤브레인의 평탄면과 격벽이 접하는 부분이 수평 방향으로 이동하는 것을 억제하므로, 챔버의 압력차이에 의한 불연속적인 연마가 일어나는 것을 억제하는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 웨이퍼의 CMP연마를 위해 캐리어 헤드를 연마 정반에 접근시켜 밀착 가압하는 과정에서, 캐리어 헤드의 베이스가 멤브레인의 격벽을 수직 방향으로 누르는 힘(F')이 작용하더라도, 이 힘(F')에 의하여 격벽의 휨 강성보다 낮은 휨 강성을 갖는 연성 개재물의 휨 변형이 유도되어, 멤브레인의 평탄면까지 누르는 힘(F')이 전달되는 것이 차단되므로 격벽을 통해 전달되는 힘 성분에 의해 격벽 주변의 웨이퍼가 보다 더 가압됨에 따라, 웨이퍼의 연마 정도가 불연속적이거나 불균일해지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 캐리어 헤드를 보인 단면도.
도2는 도1의 중앙부의 확대도
도3은 도2의 내측 챔버와 외측 챔버에 서로 다른 압력이 인가된 상태를 도시한 도면
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드를 보인 반단면도.
도5는 도4의 멤브레인 및 격벽의 구성을 도시한 반단면도
도6은 도5의 'B'부분을 도시한 도면
도7은 도4의 'A'부분을 도시한 도면

본 발명의 일실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(200)는 도 4의 반단면도에 도시된 바와 같이 구성된다.

캐리어 헤드(200)는 덮개 또는 하우징 내부에 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 구동체(202)를 포함하며, 하부면에는 리테이너링(206) 안쪽으로 웨이퍼(10) 흡착면을 제공하는 멤브레인(210)이 배치된다. 멤브레인(210)의 중앙부에는 관통공(212)이 위치하여, 웨이퍼(W)의 이동 시에 흡입압이 인가되어 웨이퍼(W)를 파지할 수 있도록 한다.

캐리어 헤드(200)는 멤브레인(210)의 저면(210s)에 밀착되어 가압되는 웨이퍼(W)의 연마 품질을 균일하게 유지시키기 위하여 각각 압력 제어되는 다수의 챔버(S1, S2, S3, S4)를 반경 방향을 따라 환상 형태로 구비한다. 챔버(S1, S2, S3, S4)는 멤브레인(210)으로부터 상방으로 연장된 격벽(213)에 의해 서로 구획된다.

이 때, 격벽(213)은 절곡된 연장부(213a)를 베이스(206)와 멤브레인 홀더(2041, 2042) 사이에 끼워져 위치 고정되고, 이에 의해 멤브레인(210), 격벽(213), 베이스(206) 및 멤브레인 홀더(2041, 2042)로 둘러싸인 공간이 하나하나의 구획된 챔버(S1, S2, S3, S4)를 형성한다. 격벽(213)의 연장부(213a)의 끝단에는 베이스(206)와 멤브레인 홀더(2041, 2042) 사이에 보다 위치 고정이 확실하게 이루어지도록 고정돌기(213ax)가 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인(210)은 격벽(213)에는 중앙부에 관통 형성된 링형 수용부(213s)가 형성되고, 이 링형 수용부(213s)에 격벽(213)보다 휨 강성이 낮은 소재인 링 형상의 연성 개재물(215)이 끼워져 개재(介在)된다는 데 그 특징이 있다.

여기서, 연성 개재물(215)은 링형 수용부(213s)의 끝단을 수용하도록 격벽(213)의 두께보다 좁은 폭으로 요입 형성된 수용부(215a)와, 이들 수용부(215a)을 연결하여 압력이나 힘에 의해 쉽게 변형되도록 일정 단면으로 형성된 변형부(215m)로 구성된다. 즉, 격벽(213)은 멤브레인(210)의 평탄부(210s) 및 베이스(204)에 결합되는 절곡 연장부(213a)로 분리되어 구성되는 데, 격벽(213)의 두께보다 좁은 폭을 갖는 연성 개재물(215)의 수용부(215a)가 링형 수용부(213s)의 격벽 끝단을 수용하면서, 연성 개재물(215)이 링형 수용부(213s)에 위치 고정됨에 따라, 서로 분리된 격벽이 하나의 몸체로 연결된다.

경우에 따라서는 연성 개재물(215)의 상,하측 끝단에 접착제를 도포하여, 연성 개재물(215)이 격벽(213)과 보다 견고하게 일체 고정될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 연성 개재물(215)이 멤브레인(210)의 격벽(213)에 위치 고정됨에 따라, 판면에 평행한 방향 또는 판면에 수직한 방향으로 작용하는 외력이 격벽(213)에 작용하면, 격벽(213)에 비하여 강성이 낮은 연성 개재물(215)의 변형부(215m)가 변형하여 그 힘의 전달을 차단한다.

보다 구체적으로는, 휨 강성이 낮은 연성 개재물(215)을 격벽(213)에 개재시키는 것에 의하여, 연성 개재물(215)을 격벽(213)과 동일한 두께 또는 이보다 더 큰 두께로 형성되더라도, 격벽(213)이 스스로 직립할 수 있으므로 챔버(S1, S2, S3, S4)의 형상을 그대로 유지할 수 있어서 조작 및 관리가 편리해지는 잇점을 얻을 수 있다.

한편, 각 챔버(S1, S2, S3, S4)마다 공압이 공급되어 압력 제어되지만, 반경 방향으로 인접한 챔버(S1, S2, S3, S4) 내의 압력이 서로 다른 경우에는 격벽(213)의 하측의 멤브레인 평탄면이 수평 방향으로 이동하려는 힘이 작용하므로, 이 수평 방향의 힘에 의해 격벽(213)의 하측에서는 웨이퍼(W)에 대한 연마의 균일성을 확보하기 어렵다. 이 뿐만 아니라, 멤브레인(210)을 위치 고정시키는 데 있어서 베이스(204)가 격벽(213)의 절곡된 연장부(213a)와 밀착 배열된 경우에는, 캐리어 헤드(200)가 웨이퍼(W)의 CMP 연마 공정을 위하여 연마 정반에 접촉하여 가압(F)하는 동안에, 도7에 도시된 바와 같이 베이스(204)가 격벽(213)에 대하여 하방으로 미는 힘(F')을 작용시키므로, 격벽(213)의 하측에 위치한 웨이퍼(W)는 수직 방향의 힘에 의해 웨이퍼(W)에 대한 연마의 균일성을 확보하기가 어렵다.

그러나, 본 발명은, 도6 및 도7에 도시된 바와 같이 상기와 같이 멤브레인(210)의 격벽(213) 내에 링 형상의 연성 개재물(215)이 개재되어 고정됨에 따라, 챔버(S1, S2, S3, S4) 간의 압력 차이가 발생되거나 상하 방향으로의 변위가 생기면 격벽(213)의 연성 개재물(215)에만 외력에 의한 휨 변위가 발생되기 때문에, 멤브레인(210)의 평탄면(210s)과 접하는 격벽(213) 및 절곡 연장부(231a)에서 격벽이 변형되지 않더라도, 챔버(S1, S2, S3, S4)간의 압력차이를 수용하면서 멤브레인 평탄면(210s)이 수평 방향으로 이동하려는 변위를 억제할 수 있고, 동시에 베이스(204)가 하방으로 이동하는 것에 의해 격벽(213)에 판면으로 평행한 힘이 작용하더라도 그 힘이 격벽(213)과 접하는 평탄면(210s)까지 전달되는 것을 차단할 수 있게 된다.

따라서, 챔버(S1, S2, S3, S4)간의 경계에서 압력 차이 또는 격벽을 통한 외력 전달에 의해 웨이퍼가 불연속적으로 연마되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 웨이퍼 흡착면을 제공하는 멤브레인에 있어서, 상기 멤브레인은,
   연마하고자 하는 웨이퍼와 맞닿는 평탄면과;
   상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하도록 상기 평탄면으로부터 연장되고 중앙부에 관통 형성된 링형 수용부가 형성된 링형의 격벽과;
   상기 격벽의 소재보다 휨 강성이 낮은 소재로 형성되어 상기 링형 수용부에 개재되는 링 형상의 연성 개재물을;
   포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연성 개재물은 상하측에 상기 격벽의 일부를 수용하는 수용부를 구비하여, 상기 연성 개재물의 위치가 고정되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 연성 개재물은 탄성재로 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 연성 개재물은 상기 격벽보다 더 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인
   
5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연성 개재물은 상기 멤브레인 평탄면으로부터 수직으로 연장된 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인
   
6. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
   상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하는 링형의 격벽이 평탄면으로부터 수직으로 연장 형성되고, 상기 격벽에 기포가 원주 방향을 따라 분포되어 위치한 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인과;
   상기 멤브레인의 연장 끝단을 고정하는 베이스와;
   상기 챔버마다 제어된 압력을 공급하는 압력 공급부를;
   포함하여 구성된 캐리어 헤드.

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