KR101244221B1 - 캐리어 헤드의 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상기 멤브레인은, 연마하고자 하는 웨이퍼와 맞닿고 판면에 링형 수용부가 관통 형성된 평탄면과; 상기 링형 수용부를 메우는 링형 평탄부와, 압력 제어되는 챔버를 구획하도록 상기 링형 평탄부로부터 연장된 링형 격벽과, 상기 평판부와 상기 링형 격벽의 사이를 경사진 형태로 연결하는 링형 연결부를 구비한 분리형 격벽체를; 포함하여 구성되어, 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 격벽에 의해 구획되는 다수의 챔버로 형성된 경우에 CMP공정을 행하는 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, 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.

이와 같이, 격벽(120)에 하방으로의 힘(F')이 작용하면, 고압의 내측 챔버(C1)가 격벽(120)의 주변 영역(X)을 어느 일측(66, 66')으로 밀어내려는 힘이 발생되고, 이에 따라 도3에 도시된 바와 같이 격벽(120)과 멤브레인(110)이 어느 한 방향으로 휘는 현상이 발생된다. 이에 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 헤드가 하방으로 이동하면서 격벽에 수직력이 작용하더라도, 격벽의 주변에서 웨이퍼의 연마 정도가 불연속적으로 행해지지 않고 연속적인 연마 품질을 갖도록 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 맞닿고 판면에 링형 수용부가 관통 형성된 평탄면과; 상기 링형 수용부를 메우는 링형 평탄부와, 압력 제어되는 챔버를 구획하도록 상기 링형 평탄부로부터 연장된 링형 격벽과, 상기 링형 평탄부와 상기 링형 격벽의 사이를 연결하는 링형 연결부를 구비한 분리형 격벽체를; 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 챔버를 구획하는 멤브레인의 격벽을 형성함에 있어서, 격벽과 멤브레인의 평탄면이 만나는 지점을 링형 연결부에 의해 두껍게 형성함에 따라, 격벽을 따라 전달되던 힘이 멤브레인의 평탄면에 집중 전달되지 않고 보다 넓은 면적의 링형 연결부에 의해 분산되므로, 격벽에 수직력이 가해지더라도 격벽 주변의 웨이퍼에 대해서도 연마 정도를 연속적으로 유지시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기와 같이 격벽을 멤브레인의 평탄면과 일체형으로 형성하지 않고 분리형으로 형성하여 탈착하도록 구성됨에 따라, 이들의 가공이 간단해지고 분리형 격벽체와 평탄면의 사이 틈새에 의해서도 수직력이 손실되어, 보다 효과적으로 수직력을 분산 상쇄시키는 것이 가능해진다.

여기서, 상기 링형 연결부는 상기 링형 평탄부의 바깥까지 연장되도록 경사지게 형성됨에 따라, 격벽을 통해 전달되는 힘을 멤브레인의 링형 평탄부의 바깥 면적에 대해서도 분산시켜, 보다 확실하게 웨이퍼의 연마에 악영향을 주는 외력을 분산시킬 수 있는 잇점이 얻어진다.

그리고, 상기 링형 수용부에는 요홈이 형성되고, 상기 링형 평탄부에는 상기 요홈과 맞물리는 링형 돌기가 형성됨에 따라, 분리형 격벽체를 멤브레인의 평탄면에 분리되지 않도록 결합시키는 것이 용이해진다. 한편, 격벽과 평탄면에 의해 둘러싸인 챔버는 정압이 가해진 상태에서 평탄면의 저면에는 웨이퍼가 위치하므로, 분리형 격벽체와 멤브레인의 평탄면이 CMP 공정 중에 분리되는 경우는 발생되지 않는다.

한편, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서, 웨이퍼를 가압하는 평탄면과, 상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하는 링형 격벽이 형성된 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 격벽을 형성함에 있어서, 격벽과 멤브레인의 평탄면이 만나는 지점을 링형 연결부에 의해 두껍게 형성함에 따라, 격벽을 통해 전달되는 수직력(F')을 넓은 면적으로 형성되는 링형 연결부로 분산시켜 격벽 주변의 웨이퍼에 대해서도 연마 정도를 연속적으로 유지시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 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
도6a는 도5의 'B'부분을 도시한 도면
도6b는 분리형 격벽체를 멤브레인의 평탄면으로부터 분리한 상태를 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 연마하고자 하는 웨이퍼(W)와 맞닿고 판면에 링형 수용부(210p)가 관통 형성된 평탄면(210s)과, 링형 수용부(210p)를 메우면서 격벽(213)을 형성하여 다수의 분할된 챔버(S1, S2, S3, S4)로 구획하는 분리형 격벽체(213)로 이루어진다.

여기서, 분리형 격벽체(213)는 멤브레인(210)의 링형 수용부(210p)를 채우는 링형 평탄부(213x)와, 압력 제어되는 챔버(S1, S2, S3, S4)를 구획하도록 링형 평탄부(213x)로부터 상방으로 연장된 링형 격벽(213y)과, 평판부(213x)와 링형 격벽(213y)의 사이를 연결하는 링형 연결부(213e)로 이루어진다.

링형 평탄부(213x)는 챔버(S1, S2, S3, S4) 내의 공압이 누설되지 않도록 링형 수용부(210p)를 완전히 채우는 치수로 형성된다. 링형 수용부(210p)에 형성된 요홈과 맞물리는 링형 돌기(210f)가 링형 평탄부(213x)의 둘레에 도면부호 c로 표시된 길이만큭 돌출 형성되어, 도면부호 213d로 분리 격벽체(213)를 멤브레인(210)의 링형 수용부(210p)에 끼우면, 링형 수용부(210p)의 저면에 형성된 링형 수용부(210p)와 기밀성있게 결합되고 쉽게 분리되지 않도록 한다.

링형 평탄부(213x)의 폭은 링형 격벽(213y)의 두께보다 훨씬 크게 형성됨으로써, 격벽(213)을 통해 전달되는 수직력(59)을 보다 넓은 링형 평탄부(213x)로 분산(67)시켜 그 저면에 위치한 웨이퍼에 과도한 압력이 집중되는 것을 방지한다.

링형 연결부(213e)는 링형 격벽(213y)으로부터 경사지게 반경 내외측 방향으로 도면부호 x로 표시된 길이만큼 돌출되어, 링형 얇은 두께의 링형 격벽(213y)을 통해 전달되는 수직력(59)을 링형 평탄부(213x)로 분산(67)시킨다. 보다 바람직하게는, 도6a에 도시된 바와 같이 링형 연결부(213e)의 경사면은 반경 내외측으로 보다 완만한 경사로 뻗은 확대 경사부(213e1)가 구비되어, 링형 평탄부(213x) 주변의 평탄면(210s)에까지 수직력을 분산(67)시킨다.

즉, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(200)는, 챔버(S1, S2, S3, S4...)를 구획하는 격벽(213)을 형성함에 있어서, 격벽(213)과 멤브레인의 평탄면(210s)이 만나는 지점을 링형 연결부(213x)로 두껍고 넓게 형성함에 따라, 격벽을 따라 전달되던 수직력(59)이 멤브레인의 평탄면(210s)의 좁은 영역에 집중 전달되지 않고 보다 넓은 영역에 분산 전달되도록 하여, 격벽 주변의 웨이퍼(W)에 대해서도 연속적인 두께 분포를 갖도록 CMP연마를 행할 수 있도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기와 같이 격벽(213)을 멤브레인의 평탄면(210s)과 일체형으로 형성하지 않고 분리형으로 형성하여 탈착하도록 구성됨에 따라, 이들의 가공이 간단해지고 분리형 격벽체(213)와 평탄면(210s)의 사이 틈새에 의해서도 수직력(59)이 손실되는 부수적 효과를 얻으므로, 격벽(213)을 통해 전달되는 수직력의 분산 효과를 극대화할 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 (4)

1. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 웨이퍼 흡착면을 제공하는 멤브레인에 있어서, 상기 멤브레인은,
   연마하고자 하는 웨이퍼와 맞닿고 판면에 링형 수용부(210p)가 관통 형성된 평탄면(210s)과;
   상기 링형 수용부(210p)를 메우는 링형 평탄부(213x)와, 압력 제어되는 챔버를 구획하도록 상기 링형 평탄부(213x)로부터 연장된 링형 격벽(213y)과, 상기 링형 평탄부(213x)와 상기 링형 격벽(213y)의 사이를 연결하는 링형 연결부(213e)를 구비한 분리형 격벽체(213)를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 링형 연결부(213e)는 상기 링형 평탄부(213x)의 바깥까지 연장되도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 링형 수용부(210p)에는 요홈이 형성되고, 상기 링형 평탄부(213x)에는 상기 요홈과 맞물리는 링형 돌기(210f)가 형성된 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
4. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
   웨이퍼를 가압하는 평탄면(210s)과, 상면에 압력 제어되는 챔버를 반경 방향을 따라 구획하는 링형 격벽(213y)이 형성된 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인(210)과;
   상기 멤브레인의 연장 끝단을 고정하는 베이스(206)와;
   상기 챔버마다 제어된 압력을 공급하는 압력 공급부를;
   포함하여 구성된 캐리어 헤드.

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