KR102264785B1 - 연마 헤드 및 이를 갖는 연마 캐리어 장치 - Google Patents

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Abstract

연마 헤드는 연마 대상이 되는 기판을 흡착 및 가압하기 위한 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어의 하부에 고정되며 상기 기판의 외주를 둘러싸고 내부를 따라 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 구비하는 리테이너 링을 포함한다.

Description

연마 헤드 및 이를 갖는 연마 캐리어 장치{POLISHING HEAD AND POLISHING CARRIER APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 연마 헤드 및 이를 갖는 연마 캐리어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 웨이퍼를 연마 패드 상에 압착하고 이동시키기 위한 연마 헤드 및 이를 갖는 연마 캐리어 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정은 화학액인 슬러리와 연마 패드를 이용하여 웨이퍼와 화학적 반응을 일으킴과 동시에 기계적인 힘을 웨이퍼에 전달함으로써 웨이퍼를 평탄화하는 공정이다.
CMP 장치는 플레이튼, 연마 패드 및 연마 헤드를 포함할 수 있다. 상기 연마 헤드를 회전시켜 웨이퍼를 연마할 때, 상기 연마 패드와 상기 연마 헤드, 그리고 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에는 마찰에 의해서 열이 발생하여 상기 연마 패드의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 온도 상승으로 인해, 연마 균일도가 저하될 수 있다. 특히, 상기 연마 헤드의 리테이너 링과 상기 연마 패드 사이의 마찰에 의해 열이 발생하여 상기 연마 패드의 물성이 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 웨이퍼의 에지 부위에서 상기 연마 패드의 리바운딩(rebounding) 현상이 더욱 크게 발생하여 연마 균일도가 저하될 수 있다.
본 발명의 일 과제는 연마 균일도를 향상시킬 수 있는 리테이너 링을 갖는 연마 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 연마 헤드를 갖는 연마 캐리어 장치를 제공하는 데 있다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 연마 헤드는 연마 대상이 되는 기판을 흡착 및 가압하기 위한 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어의 하부에 고정되며 상기 기판의 외주를 둘러싸고 내부를 따라 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 구비하는 리테이너 링을 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 기판 캐리어 내부에 구비된 유체 연결 통로에 연통될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 유체 연결 통로에 연결되며 상기 냉각 유체를 공급 또는 배출시키기 위한 냉각 유체 튜브를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 리테이너 링은 상부면으로부터 내부로 연장하며 상기 냉각 채널에 연통되는 유출입 통로를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 냉각 채널은 상부면으로부터 내부로 연장하는 제1 냉각 채널 홈 및 상기 제1 냉각 채널 홈에 연통되며 상기 상부면으로부터 내부로 연장하는 제2 냉각 채널 홈을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 냉각 채널 홈은 제1 폭을 갖고, 상기 제2 냉각 채널 홈을 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판 캐리어는, 구동축에 착탈 가능하도록 고정되는 하우징, 상기 하우징 하부에 수직 이동 가능하도록 설치되는 베이스 어셈블리, 및 상기 베이스 어셈블리의 하부에 클램핑되어 적어도 하나의 가압 챔버를 형성하고 상기 기판의 후면과 직접 접촉하는 가요성 박막을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 하우징에는 상기 구동축 내의 냉각 유로에 연결되는 냉각 유체 통로가 형성되고, 상기 베이스 어셈블리에는 상기 냉각 채널에 연통되는 유체 연결 통로가 형성되고, 상기 연마 헤드는 상기 유체 연결 통로와 상기 냉각 유체 통로를 연결시키는 냉각 유체 튜브를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가요성 박막은, 상기 기판의 후면과 접촉하는 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 제2 면을 포함하는 원반형의 주요부, 및 상기 주요부의 상기 제2 면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 상기 베이스 어셈블리의 하부에 클램핑되어 상기 가압 챔버를 형성하는 적어도 하나의 연장부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 리테이너 링은 하부면에 상기 리테이너 링의 내측면으로부터 외측면으로 연장하는 적어도 하나의 그루브를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 리테이너 링은 기판 캐리어의 하부면에 고정되는 상부면 및 연마 패드와 접촉하여 가압하는 하부면을 갖는 환형 형상의 몸체, 및 상기 몸체의 내부를 따라 연장하고 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 리테이너 링은 상기 상부면으로부터 내부로 연장하며 상기 냉각 채널에 연통되는 유출입 통로를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 상부면으로부터 내부로 연장하는 제1 냉각 채널 홈 및 상기 제1 냉각 채널 홈에 연통되며 상기 상부면으로부터 내부로 연장하는 제2 냉각 채널 홈을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 냉각 채널 홈은 제1 폭을 갖고, 상기 제2 냉각 채널 홈을 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 리테이너 링은 상기 상부면에 형성되며 상기 냉각 채널을 밀봉시키기 위한 밀봉 홈을 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 연마 캐리어 장치는 회전 가능한 구동축 및 상기 구동축 내의 냉각 유체 유로를 통해 냉각 유체를 밀봉하여 유동시키는 로터리 유니언, 상기 구동축과 함께 회전하도록 상기 구동축에 고정되고 연마 대상이 되는 기판을 흡착 및 가압하기 위한 기판 캐리어 및 상기 기판 캐리어의 하부에 고정되며 상기 기판의 외주를 둘러싸고 내부를 따라 냉각 유체를 순환시키는 냉각 통로를 포함하는 리테이너 링을 포함하는 연마 헤드, 및 상기 로터리 유니언에 연결되며 상기 구동축의 상기 냉각 유체 유로에 상기 냉각 유체를 공급 및 회수하는 냉각 유체 공급 유닛을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 로터리 유니언의 상기 구동축에는 상기 기판 캐리어로의 가스 공급을 위한 가스 유로가 형성되고, 상기 연마 캐리어 장치는 상기 로터리 유니언에 연결되며 상기 구동축의 상기 가스 통로에 가스를 공급하는 가스 공급 유닛을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연마 캐리어 장치는 상기 구동축을 회전시키기 위한 구동축 구동부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판 캐리어는, 상기 구동축에 착탈 가능하도록 고정되는 하우징, 상기 하우징 하부에 수직 이동 가능하도록 설치되는 베이스 어셈블리, 및 상기 베이스 어셈블리의 하부에 클램핑되어 적어도 하나의 가압 챔버를 형성하고 상기 기판의 후면과 직접 접촉하는 가요성 박막을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 하우징에는 상기 구동축의 상기 냉각 유체 유로에 연결되는 냉각 유체 통로가 형성되고, 상기 베이스 어셈블리에는 상기 냉각 채널에 연통되는 유체 연결 통로가 형성되고, 상기 연마 캐리어 장치는 상기 유체 연결 통로와 상기 냉각 유체 통로를 연결시키는 냉각 유체 튜브를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 발명에 따른 연마 헤드의 리테이너 링은 내부에 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함하고, 상기 냉각 채널을 통한 냉각 유체의 순환은 외부의 냉각 유체 공급 유닛에 의해 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 연마 헤드가 연마 패드 상에서 가압 회전할 때 상기 연마 패드와 접촉하는 상기 리테이너 링을 냉각시킴으로써, 상기 연마 패드의 온도 상승 및 물성 변화를 방지하고 웨이퍼의 에지 영역의 연마 프로파일을 최적화하여 연마 균일도를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 연마 캐리어 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 연마 헤드를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 연마 헤드를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 3의 연마 헤드의 리테이너 링을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 리테이너 링을 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 5의 리테이너 링을 나타내는 저면도이다.
도 8은 도 6의 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 연마 헤드의 리테이너 링을 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 리테이너 링을 나타내는 평면도이다.
도 11은 도 10의 B-B' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 12는 도 10의 C-C'라인을 따라 절단한 단면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 연마 캐리어 장치를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(chemical mechanical polishing apparatus)(10)는 플레이튼(20), 연마 패드(30), 연마 헤드(100)를 갖는 연마 캐리어 장치, 슬러리 공급 장치(40) 및 패드 컨디셔너(50)를 포함할 수 있다.
플레이튼(20)은 연마 패드(30)를 소정의 속도로 회전시켜 웨이퍼와 같은 기판을 연마시킬 수 있다. 연마 패드(30)는 플레이튼(20) 상부에 배치될 수 있다. 플레이튼(20)은 디스크 형상을 가질 수 있다. 플레이튼 구동부(22)는 구동 모터에 구동되는 회전축을 포함하고, 플레이튼(20)은 상기 회전축에 의해 회전될 수 있다.
연마 패드(30)는 상기 기판을 연마시키기 위한 연마 입자들을 포함할 수 있다. 연마 패드(30)는 거친 표면을 갖는 폴리우레탄과 같은 탄성 물질을 포함할 수 있다. 연마 패드(30)는 플레이튼(20)과 함께 회전할 수 있다.
슬러리 공급 장치(40)는 슬러리 공급 노즐을 통해 화학적 기계적 연마 공정에 필요한 슬러리 용액(42)을 연마 패드(30) 상에 공급할 수 있다. 슬러리 용액(42)은 웨이퍼를 화학적으로 평탄화시키는 데 사용될 수 있다.
연마 헤드(100)는 기판을 유지하여 상기 기판의 피연마면을 연마 패드(30)에 가압할 수 있다. 연마 헤드(100)는 상기 연마 캐리어 장치의 구동축(212)에 고정되고 회전하면서 연마 패드(30) 상에 이동할 수 있다.
패드 컨디셔너(50)는 연마 패드(30)가 마모된 경우 연마 패드(30)의 표면을 연삭하여 표면 거칠기(surface roughness)를 일정 수준으로 재생시킬 수 있다. 연마 패드(30)는 일정 시간 사용하면 웨이퍼(W) 등과의 마찰에 의해서 돌기 등이 손상될 수 있다. 이때, 패드 컨디셔너(50)를 통해서 연마 패드(30)를 재생함으로써, 연마 패드(30)를 교체하지 않고 오랫동안 사용할 수 있다.
상기 화학적 기계적 연마 장치는 상기 연마 캐리어 장치를 제외하고는 일반적으로 사용되는 CMP 장치와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 이하에서는, 상기 연마 캐리어 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 연마 캐리어 장치는 플레이튼(20) 상부에서 연마 헤드(100)를 이용하여 웨이퍼를 가압하고, 플레이튼(20)의 중심축 상에서 연마 헤드(100)를 공전시키고 연마 헤드(100)의 중심축 상에서 연마 헤드(100)를 회전시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연마 캐리어 장치(200)는 연마 헤드(100), 로터리 유니언(210), 가스 공급 유닛(250) 및 냉각 유체 공급 유닛(260)을 포함할 수 있다.
로터리 유니언(210)은 길이 방향으로 형성된 복수 개의 가스 유로들(214)와 냉각 유체 유로들(216)을 갖는 구동축(212) 및 구동축(212)의 외주에서 구동축(212)을 회전 가능하도록 지지하며 가스 유로들(214)과 냉각 유체 유로들(216)에 각각 유체를 밀봉된 상태로 유동시키기 위한 밀봉 하우징(220)을 포함할 수 있다. 밀봉 하우징(220)에는 가스 유로들(214)과 냉각 유체 유로들(216)에 각각 연결되는 통공들이 형성될 수 있다.
구동축(212)은 구동축 구동부(240)의 구동 모터에 연결되어 회전할 수 있다. 구동축(212)의 상단에는 종동 기어와 설치되고, 상기 구동 모터는 상기 종동 기어에 치합된 구동 기어를 회전시켜 구동축(212)을 회전시킬 수 있다. 구동축 구동부(240)는 구동축(212)의 상단부에 설치될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 상기 구동축 구동부는 구동축(212)의 일단에 연결되어 상기 구동축을 회전시킬 수 있는 구성을 가질 수 있다.
구동축(212)과 밀봉 하우징(220) 사이에는 적층 밀봉부(230)가 개재될 수 있다. 적층 밀봉부(230)은 소정의 속도로 회전되는 구동축(212)으로부터 유체의 누출을 방지할 수 있다. 적층 밀봉부(230)는 구동축(212)과 함께 회전되는 금속부에 대응하는 회전링 및 상기 회전링에 대하여 밀봉 하우징(220)을 밀착시켜 슬라이딩 운동을 하도록 하는 고정링을 포함할 수 있다. 상기 회전링과 상기 고정링은 복수 개가 적층되어 상기 적층 밀봉부를 형성할 수 있다. 따라서, 적층 밀봉부(230)는 밀봉 하우징(220) 내에서 구동축(212)이 회전할 때에도 구동축(212)의 가스 유로들(214)과 냉각 유체 유로들(216)을 밀봉 하우징(220)의 상기 통공들에 각각 밀봉 상태로 연결할 수 있다.
로터리 유니언(210)은 가스 배관들(252)을 통해 가스 공급 유닛(250)과 연결될 수 있다. 가스 배관들(252)은 밀봉 하우징(220)의 상기 통공들에 각각 연결되어 구동축(212)의 가스 유로들(212)를 통해 가스를 유동시킬 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 가스 공급 유닛(250)은 구동축(212)의 가스 유로(214)들을 통해 피연마체의 흡착 및 가압을 위해 연마 헤드(100)에 가스를 공급할 수 있다.
로터리 유니언(210)은 냉각 유체 배관들(262, 264)을 통해 냉각 유체 공급 유닛(260)과 연결될 수 있다. 냉각 유체 배관들(262, 264)은 밀봉 하우징(220)의 상기 통공들에 연결되어 구동축(212)의 냉각 유체 유로들(216)을 통해 냉각 유체를 유동시킬 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 냉각 유체 공급 유닛(260)은 구동축(212)의 냉각 유체 유로(216)들을 통해 연마 헤드(100)의 리테이너 링(130)의 냉각 채널(132, 162a, 162b, 도 8, 도 11 및 도 12 참조)로 냉각 유체를 순환시킬 수 있다.
예를 들면, 냉각 유체 공급 유닛(260)은 제1 냉각 유체 배관(262)을 통해 냉각 유체를 로터리 유니언(210)에 공급하고 제2 냉각 유체 배관(264)을 통해 상기 냉각 유체를 로터리 유니언(210)으로부터 회수할 수 있다.
연마 헤드(100)는 구동축(212)과 함께 회전하도록 구동축(212)에 고정될 수 있다. 연마 헤드(100)는 클램프(270)에 의해 구동축(212)의 플랜지에 고정될 수 있다. 이하에서는, 상기 연마 헤드에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 연마 헤드를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 연마 헤드를 나타내는 단면도이다. 도 5는 도 3의 연마 헤드의 리테이너 링을 나타내는 사시도이다. 도 6은 도 5의 리테이너 링을 나타내는 평면도이다. 도 7은 도 5의 리테이너 링을 나타내는 저면도이다. 도 8은 도 6의 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 연마 헤드(100)는, 구동축(212)과 함께 회전하도록 구동축(212)에 고정되고 연마 대상이 되는 웨이퍼(W)와 같은 기판을 흡착 및 가압하기 위한 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어의 하부에 고정되며 상기 기판의 외주를 둘러싸고 내부를 따라 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널(132)을 포함하는 리테이너 링(130)을 포함할 수 있다.
상기 기판 캐리어는, 구동축(212)에 착탈 가능하도록 고정되는 하우징(110), 하우징(110) 하부에 수직 이동 가능하도록 설치되는 베이스 어셈블리(120), 및 베이스 어셈블리(120)의 하부에 클램핑되어 적어도 하나의 가압 챔버(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5)를 형성하고 상기 기판의 후면과 직접 접촉하는 가요성 박막(140)을 포함할 수 있다.
하우징(110)은 원형 형상을 가질 수 있다. 하우징(110)은 연마 공정 중에 구동축(212)에 고정될 수 있다. 하우징(100)의 상단부는 클램프(270)에 의해 구동축(212)의 플랜지에 고정될 수 있다. 수직 보어(112)는 하우징(110)을 관통하여 형성되고, 복수 개의 유체 통로들(114) 및 냉각 유체 통로들(116)이 관통하여 형성될 수 있다. O-링들은(113, 115, 117)은 하우징(110)의 상부면과 구동축(212)의 하부면 사이에 형성되어 상기 통로들을 유체-밀봉하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 연마 헤드(100)의 공압 제어를 위한 수직 보어(112)와 유체 통로들(114)은 구동축(212) 내에 형성된 가스 유로들(214)과 각각 연통될 수 있다. 연마 헤드(100)의 냉각 제어를 위한 냉각 유체 통로들(116)은 구동축(212) 내에 형성된 냉각 유체 유로들(216)과 각각 연통될 수 있다.
베이스 어셈블리(120)는 하우징(110) 하부에서 수직 이동 가능한 조립체일 수 있다. 베이스 어셈블리(120)의 수평유지 로드는 수직 보어(112) 내에서 수직 방향으로 슬라이딩 이동할 수 있다. 베이스 어셈블리(120)의 환형 몸체의 상부에는 외측 클램프 링(122)이 배치되며 하우징(110)의 하부 외측에는 내측 클램프 링(124)이 배치되고, 롤링 다이아프램(126)은 외측 클램프 링(122)과 내측 클램프 링(124)에 의해 클램핑될 수 있다. 로딩 챔버(121)는 하우징(110)과 베이스 어셈블리(120) 사이에 형성되어 베이스 어셈블리(120)에 압력을 가하고 베이스 어셈블리(120)의 수직 위치를 제어할 수 있다.
리테이너 링(130)은 상기 기판 캐리어의 하부에 고정될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 리테이너 링(130)은 베이스 어셈블리(120)의 외측 가장자리에 고정되는 환형의 링일 수 있다. 작동 유체로서 공압이 로딩 챔버(121)에 인가되어 베이스 어셈블리(120)가 하방으로 이동할 때, 리테이너 링(130) 역시 하방으로 이동하여 연마 패드(30)에 하중을 인가할 수 있다.
가요성 박막(140)은 리테이너 링(130) 내부에서 베이스 어셈블리(120)의 하부면에 클램핑될 수 있다. 가요성 박막(140)은 웨이퍼(W)의 후면과 접촉하는 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 제2 면을 포함하는 원반형의 주요부(142) 및 주요부(142)의 상기 제2 면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 베이스 어셈블리(120)의 하부에 클램핑되어 제1 내지 제5 가압 챔버들(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5)를 형성하는 복수 개의 연장부들(144)을 포함할 수 있다.
주요부(142)의 상기 제1 면은 웨이퍼(W)를 위한 장착면을 제공할 수 있다. 연장부들(144)의 단부들은 클램프 링들에 의해 각각 베이스 어셈블리(120)에 클램핑되고 연장부들(144) 사이에는 환형 또는 원형의 가압 챔버들이 각각 형성될 수 있다. 상기 가압 챔버들의 개수는 상기 연장부들의 개수에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 가요성 박막은 5개의 챔버들을 형성하는 5-Zone 타입일 수 있지만, 이에 제한되지 않고, 상기 가요성 박막은 7개의 챔버들을 형성하는 7-Zone 타입일 수 있다.
각각의 가압 챔버는 하우징(110)의 유체 통로(114)와 베이스 어셈블리(120)를 관통하는 통로(도시되지 않음)를 통해 회전축(212)의 가스 유로(214)와 연통될 수 있다. 베이스 어셈블리(120)로부터의 상기 통로는 로딩 챔버(121)의 내측 또는 상기 기판 캐리어의 외측으로 연장하는 가요성 가스 튜브(150)를 통해 하우징(110)의 유체 통로(114)와 연결될 수 있다.
따라서, 상기 가압 챔버들은 가스 공급 유닛(250)의 가스 배관들(252)과 각각 유체 연결되어 상기 가압 챔버들 내의 압력은 독립적으로 제어될 수 있다. 상기 가압 챔버들의 적어도 일부는 배기되어 웨이퍼(W)를 진공 흡착할 수 있다. 상기 가압 챔버들의 적어도 일부는 가압되어 하여 웨이퍼(W)를 가압할 수 있다.
상기 하우징, 상기 베이스 어셈블리, 또는 상기 가요성 박막의 연장부와 같은 연마 헤드의 다양한 구성요소가 도시되었지만 이에 제한되지 않는다. 상기 연마 헤드는 로딩 챔버없이 구성될 수 있으며, 상기 베이스 어셈블리와 상기 하우징은 단일 구성 또는 조립체일 수 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들에 있어서, 리테이너 링(130)은 환형 형상의 몸체(131) 및 몸체(131)의 내부를 따라 연장하고 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널(132)을 포함할 수 있다.
몸체(131)의 상부면(131A)은 베이스 어셈블리(120)의 하부면에 고정될 수 있다. 예를 들면, 몸체(131)의 상부면(131A)에는 복수 개의 나사홈들(136)이 연장 방향을 따라 이격 형성되고, 고정 볼트들(138)은 베이스 어셈블리(120)를 관통하여 나사홈들(136)에 각각 결합함으로써 리테이너 링(130)은 기판 캐리어의 하부면에 고정될 수 있다.
냉각 채널(132)은 몸체(131)의 연장 방향을 따라 몸체(131) 내에 연장 형성될 수 있다. 유출입 통로(134)는 몸체(131)의 상부면(131A)으로부터 내부로 연장하여 냉각 채널(132)에 연통될 수 있다. 적어도 2개의 유출입 통로들(134)이 형성될 수 있고, 하나의 통로는 냉각 채널(132)로 냉각 유체를 공급하기 위한 유입 통로로 사용되고 다른 하나는 냉각 채널(132)로부터 상기 냉각 유체를 회수하기 위한 유출 통로로 사용될 수 있다.
몸체(131)는 PEEK(polyetheretherketone; 폴리에테르 에테르 케톤), PPS(polyphenylene sulfide; 폴리페닐렌 술파이드), PET(polyethylene terephthalate; 폴리에틸렌 테레프탈레이트), PI(polyimide; 폴리이미드) 등과 같은 플라스틱 물질을 포함할 수 있다. 몸체(131)는 가공 처리된 복수 개의 링들을 적층하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 링들 중 일부에는 냉각 채널을 위한 채널 홈이 형성되고 상기 채널 홈 상에는 스테인레스 강과 같은 금속막이 형성될 수 있다. 상기 금속막이 형성된 링들이 적층되어 냉각 채널(132)을 정의하는 채널 형성용 금속막(133)을 형성할 수 있다.
몸체(131)의 상부면(131A)에는 유출입 통로(134)를 둘레싸는 밀봉 홈(135)이 형성될 수 있다. 리테이너 링(130)의 상부면(131A)과 베이스 어셈블리(120)의 하부면 사이의 밀봉 홈(135)에는 O-링이 구비되어 상기 냉각 채널을 유체-밀봉시킬 수 있다.
연마 헤드(100)는 상기 냉각 유체를 순환시키기 위한 냉각 유체 튜브(152)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 냉각 채널(132)은 베이스 어셈블리(120)를 관통하는 통로(128)에 연통되고, 베이스 어셈블리(120)의 통로(128)는 로딩 챔버(121)의 내측 또는 상기 기판 캐리어의 외측으로 연장하는 가요성 냉각 유체 튜브(152)와 연통될 수 있다. 가요성 냉각 유체 튜브(152)는 하우징(110)의 냉각 유체 통로(116)와 연통될 수 있다. 하우징(110)의 냉각 유체 통로(116)는 회전축(212)의 냉각 유체 통로(216)와 연통될 수 있다.
따라서, 상기 냉각 채널은 냉각 유체 공급 유닛(260)의 냉각 유체 배관들(262, 264)과 유체 연결되어 상기 냉각 채널을 통해 상기 냉각 유체를 순환시킬 수 있다. 상기 냉각 채널을 통한 상기 냉각 유체의 순환 방법은 냉각 유체 공급 유닛(260)의 의해 제어될 수 있다. 리테이너 링(130) 내의 냉각 채널(132)을 통해 냉각 유체를 순환시킴에 따라, 회전하는 연마 헤드(100)와 접촉하여 발생하는 연마 패드(30)의 열을 제거하여 연마 패드(30)의 온도를 제어하고 웨이퍼의 에지 프로파일을 개선시킬 수 있다.
몸체(131)의 하부면(131B)에는 복수 개의 그루브들(137)이 형성될 수 있다. 그루브(137)은 몸체(131)의 내측면(131C)으로부터 외측면(131D)으로 연장 형성될 수 있다. 연마 중에 발생한 연마 찌꺼기를 그루브(137)를 통해 연마 헤드(100)의 외부로 배출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연마 헤드(100)의 리테이너 링(130)은 내부에 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함하고, 상기 냉각 채널을 통한 냉각 유체의 순환은 외부의 냉각 유체 공급 유닛에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 연마 헤드(100)가 연마 패드(30) 상에서 회전할 때 연마 패드(30)와 접촉하는 리테이너 링(130)을 냉각시킴으로써, 연마 패드(30)의 온도 상승 및 연마 패드(30)의 물성 변화를 방지하고 웨이퍼의 에지 영역의 연마 프로파일을 최적화하여 연마 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 연마 헤드의 리테이너 링을 나타내는 사시도이다. 도 10은 도 9의 리테이너 링을 나타내는 평면도이다. 도 11은 도 10의 B-B' 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 12는 도 10의 C-C'라인을 따라 절단한 단면도이다. 상기 리테이너 링은 도 5 내지 도 8을 참조로 설명한 리테이너 링과 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한, 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 리테이너 링(160)은 환형 형상의 몸체(161) 및 몸체(161)의 내부를 따라 연장하고 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함할 수 있다. 상기 냉각 채널은 몸체(161)의 연장 방향을 따라 서로 연통된 제1 냉각 채널 홈(162a) 및 제2 냉각 채널 홈(162b)를 포함할 수 있다.
복수 개의 제1 냉각 채널 홈들(162a)은 몸체(161)의 연장 방향을 따라 이격 형성될 수 있다. 복수 개의 제2 냉각 채널 홈들(162b)은 몸체(161)의 연장 방향을 따라 이격 형성될 수 있다. 제1 냉각 채널 홈(162a)은 몸체(161)의 상부면(161A)으로부터 내부로 연장할 수 있다. 제2 냉각 채널 홈(162b)은 몸체(161)의 상부면(161A)으로부터 내부로 연장할 수 있다. 제1 냉각 채널 홈(162a) 및 제2 냉각 채널 홈(162b)은 서로 연통되어 상기 냉각 채널을 형성할 수 있다.
제1 냉각 채널 홈(162a)은 제1 폭(W1)을 가지고, 제2 냉각 채널 홈(162b)은 제1 폭(W1)보다 작은 제2 폭(W2)을 가질 수 있다. 제1 냉각 채널 홈(162a)은 제1 길이(L1)를 가지고, 제2 냉각 채널 홈(162b)은 제1 길이(L1)보다 작은 제2 길이(L2)를 가질 수 있다. 제1 냉각 채널 홈(162a)의 제1 깊이(D1)는 제2 냉각 채널 홈(162b)의 제2 깊이(D2)와 동일하거나 다를 수 있다.
몸체(161)의 상부면(161A)에는 상기 유체 채널을 둘러싸도록 제1 밀봉 홈(165a) 및 제2 밀봉 홈(165b)이 형성될 수 있다. 리테이너 링(160)의 상부면(161A)과 베이스 어셈블리(120)의 하부면 사이의 제1 및 제2 밀봉 홈들(165a, 165b)에는 O-링들이 각각 구비되어 상기 냉각 채널을 유체-밀봉시킬 수 있다.
몸체(161)의 상부면(161A)에는 복수 개의 나사홈들(166)이 연장 방향을 따라 이격 형성될 수 있다. 나사홈(166)은 인접한 제1 냉각 채널 홈들(162a) 사이에 형성될 수 있다.
복수 개의 제1 냉각 채널 홈들(162a) 중 일부는 베이스 어셈블리(120)를 관통하는 통로(128)에 연통되고, 베이스 어셈블리(120)의 통로(128)는 로딩 챔버(121)의 내측 또는 상기 기판 캐리어의 외측으로 연장하는 가요성 냉각 유체 튜브(152)와 연통될 수 있다. 가요성 유체 튜브(152)는 하우징(110)의 냉각 유체 통로(116)와 연통될 수 있다. 하우징(110)의 냉각 유체 통로(116)는 회전축(212)의 냉각 유체 통로(216)와 연통될 수 있다.
따라서, 상기 냉각 채널을 형성하는 제1 및 제2 냉각 채널 홈들(162a, 162b)은 냉각 유체 공급 유닛(260)의 냉각 유체 배관들(262, 264)과 유체 연결되어 상기 냉각 유체를 순환시킬 수 있다. 상기 냉각 채널을 통한 상기 냉각 유체의 순환은 냉각 유체 공급 유닛(260)의 의해 제어될 수 있다.
리테이너 링(130) 내의 상기 냉각 채널을 통해 냉각 유체를 순환시킴에 따라, 회전하는 연마 헤드(100)와 접촉하여 발생하는 연마 패드(30)의 열을 제거하여 연마 패드(30)의 온도를 제어하고 상기 웨이퍼의 에지 부위에서 상기 연마 패드의 리바운딩(rebounding) 현상을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 리테이너 링 내부의 상기 냉각 채널은 상기 웨이퍼의 에지 프로파일을 고려하여 다양한 형상을 갖도록 설계됨으로써, 원하는 냉각 효율을 가질 수 있다. 또한, 상기 연마 헤드는 온도 제어 시스템과 연결될 수 있다. 상기 온도 제어 시스템은 상기 리테이너 링의 온도 또는 상기 냉각 유체의 온도를 실시간으로 검출하여 상기 냉각 유체의 순환 유량, 온도 등을 제어할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 리테이너 링은 환형 형상을 각각 갖는 내부 리테이너 링과 외부 리테이너 링을 포함할 수 있다. 상기 내부 리테이너 링은 상기 외부 리테이너 링의 내측에 배치될 수 있다. 상기 내부 리테이너 링은 웨이퍼의 에지 영역과 접촉할 수 있다. 상기 내부 리테이너 링 및 상기 외부 리테이너 링 중에서 적어도 하나는 내부에 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함할 수 있다.
상기 리테이너 링을 갖는 연마 헤드는 화학적 기계적 연마 공정에 사용될 수 있다. 상기 화학적 기계적 연마 공정에 의해 형성된 DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 소자는 컴퓨팅 시스템과 같은 다양한 형태의 시스템들에 사용될 수 있다. 상기 시스템은 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 개인휴대단말기, 태블릿, 휴대폰, 디지털 음악 재생기 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 화학적 기계적 연마 장치 20: 플레이튼
22: 플레이트 구동부 30: 연마 패드
40: 슬러리 공급 장치 42: 슬러리 용액
50: 패드 컨디셔너 100: 연마 헤드
110: 하우징 112: 수직 보어
114: 유체 통로 116: 냉각 유체 통로
113, 115, 117: O-링 120: 베이스 어셈블리
121: 로딩 챔버 122: 외측 클램프 링
124: 내측 클램프 링 126: 롤링 다이아프램
128: 통로 130, 160: 리테이너 링
131, 161: 몸체 132: 냉각 채널
133: 채널 형성용 금속막 134: 유출입 통로
135: 밀봉 홈 136, 166: 나사홈
137: 그루브 138: 고정 볼트
140: 가요성 박막 142: 주요부
144: 연장부 150: 가스 튜브
152: 냉각 유체 튜브 162a: 제1 냉각 채널 홈
162b: 제2 냉각 채널 홈 165a: 제1 밀봉 홈
165b: 제2 밀봉 홈 200: 연마 캐리어 장치
210:로터리 유니언 212: 구동축
214: 가스 유로 216: 냉각 유체 유로
220: 밀봉 하우징 230: 적층 밀봉부
240: 구동축 구동부 250: 가스 공급 유닛
252: 가스 배관 260: 냉각 유체 공급 유닛
262, 264: 냉각 유체 배관 270: 클램프

Claims (10)

  1. 연마 대상이 되는 기판을 흡착 및 가압하기 위한 기판 캐리어; 및
    상기 기판 캐리어의 하부에 고정되며 상기 기판의 외주를 둘러싸고, 내부를 따라 냉각 유체를 순환시키는 냉각 채널을 포함하는 리테이너 링을 포함하고,
    상기 냉각 채널은 상부면으로부터 내부로 연장하는 제1 냉각 채널 홈 및 상기 제1 냉각 채널 홈에 연통되며 상기 상부면으로부터 내부로 연장하는 제2 냉각 채널 홈을 포함하는 연마 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 기판 캐리어 내부에 구비된 유체 연결 통로에 연통되는 연마 헤드.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유체 연결 통로에 연결되며 상기 냉각 유체를 공급 또는 배출시키기 위한 냉각 유체 튜브를 더 포함하는 연마 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 리테이너 링은 상부면으로부터 내부로 연장하며 상기 냉각 채널에 연통되는 유출입 통로를 더 포함하는 연마 헤드.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 냉각 채널 홈은 제1 폭을 갖고, 상기 제2 냉각 채널 홈을 상기 제1 폭보다 작은 제2 폭을 갖는 연마 헤드.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 캐리어는
    구동축에 착탈 가능하도록 고정되는 하우징;
    상기 하우징 하부에 수직 이동 가능하도록 설치되는 베이스 어셈블리; 및
    상기 베이스 어셈블리의 하부에 클램핑되어 적어도 하나의 가압 챔버를 형성하고, 상기 기판의 후면과 직접 접촉하는 가요성 박막을 포함하는 연마 헤드.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하우징에는 상기 구동축 내의 냉각 유로에 연결되는 냉각 유체 통로가 형성되고, 상기 베이스 어셈블리에는 상기 냉각 채널에 연통되는 유체 연결 통로가 형성되고,
    상기 유체 연결 통로와 상기 냉각 유체 통로를 연결시키는 냉각 유체 튜브를 더 포함하는 연마 헤드.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 가요성 박막은
    상기 기판의 후면과 접촉하는 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 제2 면을 포함하는 원반형의 주요부; 및
    상기 주요부의 상기 제2 면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 상기 베이스 어셈블리의 하부에 클램핑되어 상기 가압 챔버를 형성하는 적어도 하나의 연장부를 포함하는 연마 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 리테이너 링은 하부면에 상기 리테이너 링의 내측면으로부터 외측면으로 연장하는 적어도 하나의 그루브를 포함하는 연마 헤드.
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