KR102087449B1 - 화학기계적 연마장치용 리테이너 링 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기계적 연마공정 시 반도체 웨이퍼의 위치를 고정시켜주는 역할을 하는 리테이너 링과 이 리테이너 링을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 금속 소재와 수지 소재의 조합으로 이루어지는 리테이너 링을 적용하여 가격면에서 경쟁력을 갖출 수 있고, 인서트 사출 성형 방식을 적용하여 금속 소재와 수지 소재 간의 결합력을 높이는 한편, 특히 금속 소재의 내측링에 수지가 채워지는 홀 및 홈 구조를 적용하여 이종 소재 간의 한층 강화된 결속력을 확보할 수 있는 등 내구성 및 기능성을 향상시킬 수 있는 새로운 소재결합방식의 리테이너 링과 제조방법을 제공한다.

Description

화학기계적 연마장치용 리테이너 링 및 제조방법{Retainer ring and method therof by chemical mechanical polisher}

본 발명은 화학기계적 연마장치용 리테이너 링 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학기계적 연마공정 시 반도체 웨이퍼의 위치를 고정시켜주는 역할을 하는 리테이너 링과 이 리테이너 링을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있으며, 이에 따라 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마 공정이 필수적으로 포함된다.

이러한 연마 공정으로는 주로 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정이 적용되고 있다.

예를 들면, 반도체 소자의 고속화 및 고집적화에 따라 다층 배선 구조에 있어서, 배선 층수의 증가와 배선 패턴의 미세화에 대한 요구가 갈수록 높아져 다층배선 기술이 서브 마이크론 공정에서 중요한 과제이다.

특히, 0.35㎛ 이하의 공정 시대에 들어서면서 미세패턴형성을 실현하기 위한 노광장치의 촛점심도에 대한 공정 여유가 줄어들고, 이에 따라 충분한 촛점 심도를 확보하기 위하여 칩 영역에 걸친 광역 평탄화 기술이 요구된다.

따라서, 광역평탄화를 실현하기 위해 화학기계적 연마 기술이 현재 널리 이용되고 있으며, 이러한 기술이 반도체 소자 제조공정에 필수적으로 적용되고 있을 뿐만 아니라 차세대 소자에 대해 활발히 연구되고 있다.

이와 같은 화학기계적 연마 공정은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 공정을 말한다.

그리고, 화학기계적 연마 공정에서 기계적인 작용을 담당하기 위해 웨이퍼를 고정하는 연마 헤드에는 리테이너 링(Retainer ring)이 설치되고, 이때의 리테이너 링은 홀딩된 웨이퍼의 정위치를 고정하는 역할을 한다.

이러한 리테이너 링은 한국 등록특허 10-0869549호, 한국 등록특허 10-0879085호, 한국 공개특허 10-2008-0028392호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.

예를 들면, 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 리테이너 링은 수지 재질의 내측 링(100)과 상기 내측 링(100)을 감싸는 수지 재질의 외피(110)로 이루어진다.

그리고, 도 3에 도시한 바와 같이, 이러한 내측 링(100)과 외피(110)의 조합으로 되어 있는 리테이너 링은 상부 금형(120)과 하부 금형(130)을 이용하여 내측 링(100)을 사출 성형한 후, 재차 내측 링(100)을 인서트하여 외피(110)를 일체 사출 성형하는 방법으로 제조된다.

즉, 상기 종래 리테이너 링을 제조하는 방법은, 내측 링 하부 금형을 준비하는 단계, 내측 링 상부 금형을 준비하는 단계, 내측 링을 성형하는 단계, 외피 하부 금형을 준비하는 단계, 외피 상부 금형을 준비하는 단계, 내측 링을 인서트하는 단계, 외피를 성형하는 단계, 그리고 탭 홈을 성형하는 단계를 통해 리테이너 링을 제조하게 된다.

그러나, 종래의 리테이너 링은 PPS[폴리페닐렌 설파이드식 ‘(―C6H4―S―)*n*’으로 나타내는 중합체로 이루어진 고분자 화합물], PEEK(Polyetheretherketone), PBN(Pyrolitic Boron Nitride) 등과 같은 고가의 소재를 사용하여 제조하기 때문에 경제적인 측면에서 불리한 점이 있고, 또한 수지 재질만으로 이루어지는 관계로 쉽게 파손될 우려가 있는 등 내구성 측면에서 취약한 점이 있다.

한편, 도 4a와 같이 금속 소재와 수지 소재를 접착제로 접착한 구조로 이루어진 리테이너 링이 일부 제시되어 있으나, 이 경우 이종 소재 간의 접착면으로 세정액이 침적되면서 접합면이 쉽게 벌어지는 단점이 있고, 특히 리테이너 링은 연마 패드에 의해 가압된 상태로 회전하게 되는데, 이때의 마찰력과 회전력에 의해 이종 소재 간의 접합부 결합력이 떨어지면서 리테이너 링이 분리 및 파손되는 등 내구 수명이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 도 4b와 같이 금속 소재와 수지 소재를 접착제로 접착하지 않고 걸림구조를 갖는 이중 인서트 사출을 하여 제조되는 리테이너 링이 제시되어 있으나, 이 경우에는 사출 후 냉각과정에서 수지물의 수축작용으로 인해 금속 소재와 수지 소재의 내,외측 접합면이 벌어지는 단점이 있고, 또한 수축 냉각한 상태에서 일순간 붙어있다 하여도 사용 시에 소재 간의 접착면으로 세정액이 침적되면서 접합면이 쉽게 벌어지는 문제점이 발생한다.

한국 등록특허 10-0869549호 한국 등록특허 10-0879085호 한국 공개특허 10-2008-0028392호

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속 소재와 수지 소재의 조합으로 이루어지는 리테이너 링을 적용하여 가격면에서 경쟁력을 갖출 수 있고, 인서트 사출 성형 방식을 적용하여 금속 소재와 수지 소재 간의 결합력을 높이는 한편, 특히 금속 소재의 내측링에 수지가 채워지는 홀 및 홈 구조를 적용하여 이종 소재 간의 한층 강화된 결속력을 확보할 수 있는 등 내구성 및 기능성을 향상시킬 수 있는 새로운 소재결합방식의 리테이너 링과 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 화학기계적 연마장치용 리테이너 링은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 화학기계적 연마장치용 리테이너 링은 금속 소재로 이루어지는 내측링과 수지 소재로 이루어지는 외측링, 그리고 조립용 탭 홈을 포함하며, 상기 내측링에는 외측링 수지 소재가 채워지는 곳으로서 링 두께를 관통하는 적어도 1개 이상의 수지충진홀이 형성되어, 상기 내측링과 외측링은 수지충진홀에 채워지는 수지부분을 통해 서로 결속되는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 화학기계적 연마장치용 리테이너 링은 내측링의 수지충진홀에 채워지는 외측링 소재를 통해 내측링과 외측링 간의 긴밀한 결속관계를 확보할 수 있고, 특히 내측링은 스테인레스 스틸 등의 소재로 이루어지고, 외측링은 PPS, PEEK, PBN 등의 소재로 이루어짐으로써, 리테이너 링의 가격을 대폭 낮출 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 내측링에 형성되는 수지충진홀의 끝부분에는 홀 주변을 따라 수지충진홈이 형성되도록 하고, 상기 수지충진홈에도 외측링 수지 소재가 채워지도록 하여 내측링과 외측링 간의 결속력을 강화시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 탭 홈은 내측링에 형성됨과 더불어 외측링 수지 소재가 채워져 있는 탭가공용 홈을 이용하여 가공할 수 있고, 이때의 탭 홈이 형성되는 위치에는 탭 홈 중심의 둘레를 따라 일정간격으로 다수 개의 수지충진홀을 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탭 홈의 경우 탭가공용 홈의 위치는 물론 주변에 배치되어 있는 수지충진홀의 일부분도 함께 가공되도록 한 형태로 이루어질 수 있으며, 또 내측링의 내면과 외면에는 단면 모서리 부분을 경사지게 가공한 형태의 경사면이 각각 형성될 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 제조방법은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 제조방법은 가공을 통해 링 두께를 관통하는 다수의 수지충진홀이 형성되어 있는 금속 소재의 내측링을 준비하는 단계와, 상기 내측링을 상부 금형과 하부 금형 내의 캐비티에 설치하는 단계와, 상기 상부 금형과 하부 금형의 캐비티 내에 수지를 주입하여 내측링에 있는 수지충진홀은 내측링 주변으로 수지가 채워지도록 하여 외측링을 성형하는 단계와, 상기 상하부 금형에서 일체형으로 성형된 금속 소재의 내측링과 수지 소재의 외측링을 취출한 후에 탭 홈을 가공하는 단계로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 내측링을 준비하는 단계에서는 탭 홈이 형성되는 위치에 탭 홈 중심의 둘레를 따라 일정간격으로 다수 개의 수지충진홀이 배치되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 탭 홈을 가공하는 단계에서는 내측링에 형성됨과 더불어 외측링 수지 소재가 채워져 있는 탭가공용 홈이 있는 위치에 탭 홈을 가공할 수 있으며, 이때의 탭 홈은 탭가공용 홈의 위치는 물론 주변에 배치되어 있는 수지충진홀의 일부분도 함께 가공되도록 할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 화학기계적 연마장치용 리테이너 링은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 스테인레스 등의 금속 소재와 PPS, PEEK, PBN 등의 수지 소재를 조합하여 리테이너 링을 제조함으로써, 제조단가를 대폭 낮출 수 있는 등 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

둘째, 금속 소재의 내측링과 수지 소재의 외측링 조합 시 외측링의 수지가 내측링의 홈 구조 및 홀 구조 내에 채워지는 결합형태로 적용함으로써, 비틀림이나 휨 현상없이 내측링과 외측링 간의 결속력을 높일 수 있는 등 우수한 내구성 및 기능성을 확보할 수 있다.

셋째, 탭 가공 시 내측링의 금속 부분과 외측링의 수지 부분에 걸쳐 탭 홀이 형성되도록 하는 가공방식을 적용함으로써, 리테이너 링의 조립력 강화 및 조립성 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 종래의 화학기계적 연마장치용 리테이너 링을 나타내는 사시도
도 2는 도 1의 C-C선 단면도
도 3은 종래의 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 제조방법을 나타내는 단면도
도 4a 및 도 4b는 종래의 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 다른 실시예를 도시한 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 내측링을 나타내는 사시도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 내측링을 나타내는 저면 사시도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 내측링을 나타내는 평면도
도 8은 도 7의 A-A 선 단면도
도 9는 도 7의 B-B 선 단면도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 제조방법을 나타내는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 내측링을 나타내는 사시도, 평면도 및 단면도이다.

도 5 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 리테이너 링은 금속 소재의 내측링과 수지 소재의 외측링을 조합한 형태로 이루어져 리테이너 링의 제조단가를 대폭 낮출 수 있음은 물론, 내측링과 외측링 간의 결합력을 강화하여 우수한 내구성을 확보할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 리테이너 링은 인서트 사출 성형 방식에 의해 일체 결합되는 형태로 제조되는 내측링(10)과 외측링(11)으로 구성되며, 이때의 내측링(10)은 스테인레스 스틸(SUS 304) 등과 같은 소재로 이루어지고, 외측링(11)은 PPS, PEEK, PBN 등과 같은 소재로 이루어진다.

이에 따라, 고가의 PPS, PEEK, PBN 소재 전체로 이루어져 있던 리테이너 링의 일부(내측링)를 스테인레스 스틸 소재 등으로 대체함으로써, 리테이너 링의 전체적인 제조비용을 대폭 낮출 수 있게 된다.

특히, 상기 내측링(10)에는 결합력 강화를 위한 수단으로 링 두께를 상하로 관통하는 다수 개의 수지충진홀(13)이 형성되며, 이렇게 형성되는 수지충진홀(13) 내에 외측링(11)의 소재가 되는 수지가 채워지게 됨으로써, 내측링(10)과 외측링(11)은 수지충진홀(13)에 채워지는 수지를 매개로 하여 긴밀한 결속관계를 이루게 된다.

이러한 수지충진홀(13)은 내측링(10)의 원주방향을 따라가면서 일정간격으로 형성되어, 리테이너 링 전체 둘레에 걸쳐 내측링(10)과 외측링(11) 간의 견고한 결합구조를 확보할 수 있게 된다.

또한, 상기 내측링(10)에 형성되는 수지충진홀(13)의 끝부분, 즉 수지충진홀(13)이 있는 내측링(10)의 상면과 하면에는 수지충진홀(13)의 주변을 따라 좀더 넓은 직경과 일정깊이를 가지는 단차진 형태의 수지충진홈(14)이 형성되고, 이때의 수지충진홈(14)에도 외측링(11)의 수지 소재가 채워지게 되므로서, 내측링(10)과 외측링(11) 간의 결속력이 한층 더 강화될 수 있게 된다.

또한, 상기 내측링(10)에는 탭 홈(12)이 가공되는 위치에 링 저면에서부터 일정깊이 가공되어 형성되는 탭가공용 홈(15)이 구비되고, 이러한 탭가공용 홈(15)에도 외측링(11)의 소재가 되는 수지가 채워지게 되며, 결국 수지가 채워져 있음과 더불어 미리 홈 형태로 형성되어 있는 부위에 탭을 가공하게 되므로서, 탭 홈 가공이 좀더 수월하게 효과적으로 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 내측링(10)에 있는 수지충진홀(13)의 경우, 탭 홈(12)이 형성되는 위치, 즉 탭가공용 홈(15)이 형성되어 있는 위치에는 홈 중심의 둘레를 따라 일정간격으로 배치되는 다수 개, 예를 들면 120°간격으로 배치되는 3개의 수지충진홀(13)이 배치될 수 있게 된다.

이에 따라, 리테이너 링 전체를 볼 때, 리테이너 링 전체 둘레를 따라가면서 탭가공용 홈(15) 및 그 주변의 3개의 수지충진홀(13)과 1개의 수지충진홀(13)이 교대로 반복되면서 배치되는 형태를 이룰 수 있게 된다.

특히, 리테이너 링에 구비되는 탭 홈(12)의 경우, 내측링(10)에 형성되어 있는 탭가공용 홈(15)을 이용하여 가공되는데, 예를 들면 내측링(10)과 이를 둘러싸는 외측링(11)의 제조 후에 리테이너 링의 저면으로부터 탭가공용 홈(15)이 있는 위치에서의 탭 가공을 통해 탭 홈(12)이 형성된다.

이때, 상기 탭 홈(12)은 탭가공용 홈(15)이 있는 위치는 물론 주변에 배치되어 있는 3개의 수지충진홀(13)의 일부 영역에 걸쳐 형성된다.

즉, 탭 홈 가공 시 탭가공용 홈(15)이 있는 부분과 그 주변에 있는 3개의 수지충진홀(13)의 안쪽 일부분을 침범하여 함께 가공되므로서, 탭 홈(12)은 탭가공용 홈(15)이 있는 부분과 수지충진홀(13)의 일부분에 걸쳐 형성될 수 있게 되고, 결국 이러한 탭 홈(12)의 형성위치에 따라 조립력 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한, 상기 내측링(10)에는 내면과 외면의 단면 모서리 부분에 경사지게 가공한 형태의 경사면(16)이 각각 형성되며, 이때의 경사면(16)을 통해 외측링 수지의 피복 두께를 좀더 두껍게 확보할 수 있게 되는 등 내외측링의 결속력 강화에 도움을 줄 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 리테이너 링이 금속 소재의 내측링과 수지 소재의 외측링을 조합한 구조로 이루어짐으로써, 제조비용을 절감할 수 있으며, 수지충진홀 및 수지충진홈 등을 이용한 내외측링 간의 걸속구조를 적용함으로써, 결합력 강화에 따른 우수한 내구성을 확보할 수 있다.

따라서, 이와 같이 구성되는 리테이너 링을 제조하는 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계적 연마장치용 리테이너 링의 제조방법을 나타내는 단면도이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 먼저 기계적 가공 등을 통해 수지충진홀(13), 조립용 탭홈(12) 등이 형성되어 있는 내측링(10)을 준비하는 단계를 수행한다.

여기서, 상기 내측링(10)의 소재로는 스테인레스 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 내측링(10)에 형성되는 수지충진홀(13)은 조립용 탭홈(12)이 있는 위치에 3개가 배치되게 하고, 이와 더불어 조립용 탭홈(12) 및 3개의 수지충진홀(13)과 1개의 수지충진홀(13)이 내측링(10)의 전체 둘레에 걸쳐 하나씩 교대로 배치되도록 한다.

다음, 다수의 수지충진홀(13) 등을 내측링(10)을 상부 금형(미도시)과 하부 금형(미도시) 내의 캐비티에 설치하는 단계를 수행한다.

이렇게 상부 금형과 하부 금형 내에 내측링(10)을 인서트하면, 캐비티의 하부 금형측으로는 탭가공용 홈의 뚫린 부분이 있는 내측링 저면이 위치될 수 있고, 상부 금형측으로는 내측링 상면이 위치될 수 있게 된다.

다음, 상기 내측링(10)이 인서트되어 있는 상부 금형과 하부 금형 내의 캐비티에 수지를 주입하여 내측링(10)의 전체 둘레는 물론 각각의 수지충진홀(13), 탭가공용 홈(15), 수지충진홈(13) 내에 수지가 채워지도록 한다.

이렇게 금형 내에 수지를 주입함에 따라 내측링(10)과 내외측으로 일체를 이루는 외측링(11)을 성형할 수 있고, 이때의 내측링(10)과 외측링(11)은 수지충진홀(13) 등에 채워지는 수지에 의해 긴밀하게 결속될 수 있다.

여기서, 상기 외측링(11)의 성형을 위해 주입하는 수지는 PPS, PEEK, PBN 등을 사용할 수 있다.

다음, 상부 금형과 하부 금형을 이용한 인서트 사출 성형을 통해 일체형으로 성형된 내측링(10)과 외측링(11)을 금형으로부터 취출하여 냉각, 수축하는 단계를 수행한 후, 이러한 수축 및 냉각이 끝나면 내외측링(10,11)의 전체면 선삭가공, 특히 양쪽 단부(단면을 기준으로 하는 양쪽 단부)를 선삭 커팅하는 단계를 수행한다.

계속해서, 상기 상부 링(10)과 하부 링(11)에 대한 커팅단계를 마친 다음, 내측링(10)이 가지는 탭가공용 홈(15)의 위치에서 내측링(10)과 외측링(11)에 탭 홈(12)을 성형하는 것으로, 금속 소재의 내측링(10)과 수지 소재의 외측링(11)의 일체형 이루어진 리테이터 링의 제조 공정을 모두 완료할 수 있다.

10 : 내측링
11 : 외측링
12 : 탭 홈
13 : 수지충진홀
14 : 수지충진홈
15 : 탭가공용 홈
16 : 경사면

Claims (11)

1. 금속 소재로 이루어지는 내측링(10)과 수지 소재로 이루어지는 외측링(11), 그리고 조립용 탭 홈(12)을 포함하며, 상기 내측링(10)에는 외측링 수지 소재가 채워지는 곳으로서 링 두께를 관통하는 다수 개의 수지충진홀(13)이 내측링(10)의 원주방향을 따라가면서 일정간격으로 형성되어, 상기 내측링(10)과 외측링(11)은 수지충진홀(13)에 채워지는 수지부분을 통해 서로 결속되고,
   상기 내측링(10)에 형성되는 수지충진홀(13)의 끝부분에는 홀 주변을 따라 수지충진홈(14)이 형성되고, 상기 수지충진홈(14)에도 외측링 수지 소재가 채워져 내측링(10)과 외측링(11) 간의 결속력을 강화시킬 수 있도록 되며,
   상기 탭 홈(12)은 내측링(10)에 형성됨과 더불어 외측링 수지 소재가 채워져 있는 탭가공용 홈(15)을 이용하여 가공되고,
   상기 탭 홈(12)이 형성되는 위치에는 탭 홈 중심의 둘레를 따라 일정간격으로 다수 개의 수지충진홀(13)이 배치되며,
   상기 탭 홈(12)은 탭가공용 홈(15)의 위치는 물론 주변에 배치되어 있는 수지충진홀(13)의 일부분도 함께 가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치용 리테이너 링.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내측링(10)의 내면과 외면에는 단면 모서리 부분을 경사지게 가공한 형태의 경사면(16)이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치용 리테이너 링.
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