KR102509353B1 - 리테이너 링 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 공정에서 이용되는 환형 몸체의 리테이너 링은, 몸체 하단부에 웨이퍼를 감싸는 내경부에서 외경부로 갈수록 상향 경사지게 형성되는 패드 가압면과, 패드 가압면상에서 몸체 하단부의 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 배치되어 슬러리 배출로를 이루는 복수의 제1 그루브와, 패드 가압면상에서 몸체 하단부의 원주 방향을 따라 제1 그루브와 교차되게 함몰 형성되는 제2 그루브를 포함한다.

Description

리테이너 링{RETAINER-RING}
본 발명은 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정에서 반도체 웨이퍼(Wafer)의 이탈을 방지하기 위해 사용하는 리테이너 링에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조는 웨이퍼에 대한 증착, 식각, 평탄화 작업이 수반되는데, 특히 집적도의 증가로 인한 소자 크기의 감소와 그에 따른 복잡한 기능의 집적회로 구현을 위해 필요한 다층 접속 공정에서는 평탄화(Planarization)의 중요성이 더욱 커진다.
평탄화 공정이 제대로 이루어지지 않으면 노광 공정에서 정밀한 패턴을 얻을 수 없고, 도체 및 유전체 증착막의 스텝 커버리지가 좋지 않아 동작 결함을 유발시킬 수 있게 된다.
정밀 평탄화를 위하여 주로 이용되는 CMP 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 화학기계적 연마 장치(1)를 이용하여 웨이퍼(5)와 정반(2)을 회전시키며 슬러리가 연마 대상 박막을 화학적으로 변화시키고, 연마재가 이동하면서 박막과 물리적인 충돌로 막질을 제거한다.
이러한 화학기계적 연마 장치(1)는 회전하는 정반(2) 위에 연마 패드(3)가 위치하고, 그 위에 정반(2)과 반대로 회전하는 헤드(4)가 구성된다.
화학기계적 연마 장치(1)의 연마 속도는 기본적으로 박막의 종류와 그 경도에 따라 달라진다. 그리고 동일한 종류의 막질이라도 웨이퍼(5)가 부착된 헤드(4)의 회전속도가 빠를수록, 웨이퍼(5)를 누르는 웨이퍼(5)의 압력이 클수록 연마 속도가 빨라진다.
CMP 공정에서 웨이퍼(5)는 분당 수십 내지 수백 RPM(Revolution Per Minute)의 높은 속도로 회전하므로, 그 회전에 따라 웨이퍼(5)가 이탈하는 것을 방지하고 슬러리의 완만한 배출을 유도하기 위하여 웨이퍼(5)의 외측 가장자리(5a; 끝단부) 주변에는 원형의 리테이너 링(6)을 배치한다.
이러한 배치 구조는 연마 패드(3)로부터 리테이너 링(6)의 하단부에 압력이 가해지기 때문에 결과적으로 웨이퍼(5)의 외측 끝단부(5a)는 응력이 걸리게 된다.
이에 따라, 현재까지도 웨이퍼(5)의 불량률을 감소시키기 위한 일환으로 웨이퍼(5)의 끝단부(5a)를 수 밀리미터 제거하는 방식이 진행되고 있지만, 웨이퍼(5)의 사이즈가 커질수록 제거되는 웨이퍼(5)의 면적이 늘어남에 따라 웨이퍼(5)의 수율 감소에 큰 문제가 되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 외경부 측보다 내경부 측의 수직 두께를 작게 하여 웨이퍼의 외측 끝단부에 걸리는 응력을 최소화시킴으로써 웨이퍼의 수율 향상에 기여할 수 있는 리테이너 링을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 몸체 하단부의 제1, 2 그루브 주변 모서리를 라운딩(Rounding) 처리하여 웨이퍼의 끝단부 제거 면적을 최소화함으로써 웨이퍼의 수율 증대 및 원가 절감을 이룰 수 있는 리테이너 링을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 공정에서 이용되는 환형 몸체의 리테이너 링은, 몸체 하단부에 웨이퍼를 감싸는 내경부에서 외경부로 갈수록 상향 경사지게 형성되는 패드 가압면; 패드 가압면상에서 몸체 하단부의 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 배치되어 슬러리 배출로를 이루는 복수의 제1 그루브; 및 패드 가압면상에서 몸체 하단부의 원주 방향을 따라 제1 그루브와 교차되게 함몰 형성되는 제2 그루브를 포함한다.
패드 가압면은 연마 패드와 맞닿는 접촉부와, 연마 패드와 닿지 않는 비접촉부로 구획될 수 있다.
접촉부는 몸체 하단부의 내측 구간에 위치하고, 비접촉부는 몸체 하단부의 외측 구간에 위치하는 것이 바람직하다.
비접촉부와 몸체 상단면까지의 수직 두께는, 접촉부와 몸체 상단면까지의 수직 두께보다 상대적으로 얇을 수 있다.
비접촉부의 외측 끝단 위치는 리테이너 링으로서의 사용 가능 여부를 가늠하는 한계 지점일 수 있다.
몸체 하단부 측 외경부와, 제1, 2 그루브가 형성된 패드 가압면의 끝단 모서리는 라운딩(Rounding) 형상으로 챔퍼링(Chamfering) 가공될 수 있다.
몸체 하단부의 내경부 모서리는 웨이퍼의 끝단부와 맞닿는 직선 구간과, 일부 구간마다 라운딩(Rounding) 형상으로 챔퍼링(Chamfering) 가공된 곡선 구간으로 구획될 수 있다.
제1, 2 그루브는 상호 동일한 깊이로 함몰 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 리테이너 링은 외경부 측보다 내경부 측의 수직 두께를 작게 하고, 몸체 하단부의 제1, 2 그루브 주변 모서리를 라운딩(Rounding) 처리하여 웨이퍼의 가장자리에 걸리는 응력을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 웨이퍼의 외측 끝단부 제거 면적을 최소화함으로써 웨이퍼의 수율 증대에 기여할 수 있다.
도 1은 종래 화학기계적 연마 장치의 작동 예를 도시한 단면 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링의 평면도.
도 3은 도 2에 표시된 A-A'의 부분 단면을 도시한 기본 도면.
도 4는 도 2에 표시된 A-A'의 부분 단면을 도시한 변형 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링의 저면도.
도 6은 도 4에 표시된 B의 부분 사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링의 평면도이고, 도 3은 도 2에 표시된 A-A'의 부분 단면을 도시한 기본 예시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 리테이너 링(10)은 CMP 공정에서 사용되는 소비재 품목 중 하나이다.
리테이너 링(10)은 수지의 일종인 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리옥시메틸렌(poly oxy methylene; POM), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리아미드이미드(polyamide-imide; PEI) 중 어느 하나의 재질로 이루어져 일체형으로 제작된다.
리테이너 링(10)은 인서트(도 6의 500)를 내장한 상태에서 몸체가 상, 하단부(100, 200) 구획되며, 몸체 하단부(200)에 형성된 패드 가압면(210)과, 제1, 2 그루브(220, 230)를 포함한다.
패드 가압면(210)은 연마 패드(Polishing Pad)와 접촉하여 소정의 압력이 가해지면서 웨이퍼(5)와 함께 마모된다.
패드 가압면(210)은 내경부(300)에서 외경부(400)로 갈수록 상향 경사지게 형성된다. 이러한 패드 가압면(210)은 외경부(400) 측의 제1 그루브(220) 높이(두께)보다 내경부(300) 측의 제1 그루브(220) 높이(두께)가 낮은 구조로 형성되어, 웨이퍼(5)의 끝단부(5a)에 멤브레인(Membrane; 미도시)으로 인해 가해지는 압력이 줄어들도록 한다.
따라서 패드 가압면(210) 구조는, 웨이퍼(5)의 외측 끝단부(5a)에 걸리는 응력을 최소화시킴으로써, 웨이퍼(5)의 외측 끝단부(5a) 제거 면적을 최소화하여 웨이퍼(5)의 수율 증대에 기여할 수 있다.
패드 가압면(210)은 구조적으로 외측이 내측에 비해 상향 경사진 구조로 이루어짐에 따라, 연마 패드와 맞닿는 접촉부(211)와, 연마 패드와 닿지 않는 비접촉부(212)로 구획될 수 있다.
비접촉부(212)와 리테이너 링(10)의 몸체 상단면인 헤드 체결면(110)까지의 수직 두께(t2)는, 접촉부(211)와 리테이너 링(10)의 헤드 체결면(110)까지의 수직 두께(t1)보다 상대적으로 얇다. 이는, 패드 가압면(210)이 구조적으로 일 지점(내경부 측)에서 타 지점(외경부 측)으로 갈수록 상향 경사졌기 때문이고, 결과적으로 패드 가압면(210)은 웨이퍼(5)의 외측 끝단부(5a)에 걸리는 응력을 최소화할 수 있다는 점에서 유의미하다.
이때, 접촉부(211)는 리테이너 링(10)의 몸체 하단부(200) 중 내측 구간에 위치하고, 비접촉부(212)는 리테이너 링(10)의 몸체 하단부(200) 중 외측 구간에 위치한다.
제1 그루브(220)는 패드 가압면(210)상에서 하단부(200)의 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 복수 개 배치되어 슬러리(Slurry) 배출로를 이룬다.
제1 그루브(220)는 리테이너 링(10)의 하단부(200) 측 내경부(300)와 외경부(400)를 관통하도록, 패드 가압면(210)의 둘레면을 따라 간격을 두고 사선 배치되는 형태로 함몰 형성된다.
제2 그루브(230)는 패드 가압면(210)상에서 하단부(200)의 원주 방향을 따라 제1 그루브(220)와 교차되게 함몰 형성된다.
제1 그루브(220)와 제2 그루브(230)는 상호 동일한 깊이로 함몰 형성될 수 있다.
도 4는 도 2에 표시된 A-A'의 부분 단면을 도시한 변형 예시도이다.
도 4를 참조하면, 리테이너 링(10')은 도 3에서의 리테이너 링(10)과 달리, 패드 가압면(210)의 비접촉부(212)가 상대적으로 더 높게 상향 경사질 수 있다.
이러한 비접촉부(212)의 상향 경사 구조는, 단순히 경사 각도의 차이가 아닌 리테이너 링(10')으로서의 사용 가능 여부를 가늠할 수 있다는 점에서 유의미할 수 있다.
다시 말해, 비접촉부(212)의 외측 끝단 위치는 리테이너 링(10')으로서의 사용 가능 여부를 가늠하는 한계 지점일 수 있으며, 그 한계 지점은 도 4에 도시된 가상의 한계선을 기준으로 한다.
본 발명에서 연마 패드와 닿지 않는 비접촉부(212)의 의미는, 웨이퍼(도2 의 5)의 끝단부(도 2의 5a)에 가해지는 응력을 최소화하기 위하여 외측 구간을 상향 경사지게 절개한 것이다.
만약, 사용 환경에 따라 패드 가압면(210)의 마모 지점을 비접촉부(212)의 끝단 위치로 확인할 수 있다면 비접촉부(212)의 외측 끝단 위치는 육안으로도 리테이너 링(10')의 수명을 가늠할 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너 링의 저면도이고, 도 6은 도 4에 표시된 B의 부분 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 한편, 패드 가압면(210)과 같은 취지의 일환으로 제1 그루브(220)와, 제2 그루브(230)가 형성되어 상호 연결되는 리테이너 링(10) 하단부(200)의 끝단 모서리에는, 라운딩(Rounding) 형상으로 챔퍼링(Chamfering) 가공되는 라운딩부(R1 내지 R8)가 형성될 수 있다.
라운딩부(R1 내지 R8)는 각각의 라운딩값(R값)이 서로 동일하거나 상이하게 가공될 수 있다. 라운딩부(R1 내지 R8)의 라운딩값이 서로 동일한 경우, 웨이퍼의 구간별 가압 분포를 균일하게 할 수 있다.
만약, 라운딩부(R1 내지 R8)의 라운딩값이 각각 상이할 경우, 웨이퍼의 끝단부에 걸리는 응력값을 고려하여 부분적으로만 라운딩값이 동일할 수 있다. 예컨대, CMP 공정 시 연마 패드의 회전 속도가 빠를수록 웨이퍼의 끝단부에 응력이 크게 걸리므로, 웨이퍼 끝단부에 가해지는 연마 패드의 마찰 영향을 최소화하기 위하여 R1과 R5의 라운딩값이 다른 부위(R2, R3, R4, R6, R7, R8)의 라운딩값보다 상대적으로 클 수 있다.
이러한 조건은, 리테이너 링(10)의 하단부(200) 면적을 감소시켜 웨이퍼가 전체적으로 고르게 가압된 상태에서 연마 작업이 수행될 수 있도록 한다.
따라서, 라운딩부(R1 내지 R8)의 라운딩값 설정 조건은, 웨이퍼에 가해지는 압력을 균일하게 만들어 리테이너 링(10)과 웨이퍼에 가해지는 최적 압력을 산출할 수 있도록 한다.
한편, 리테이너 링(10)의 하단부(200) 측 내경부(300)는 웨이퍼의 슬립 아웃(Slip out)을 방지하도록 직각 단면으로 이루어질 수 있다. 이때, 내경부(300)의 일부 모서리는 부분적으로 챔퍼링되어 슬립 아웃 효과를 유지하면서도 하단부(200)의 면적까지 감소시킬 수도 있다.
리테이너 링(10)의 하단부(200) 측 내경부(300) 모서리는, 웨이퍼의 끝단부와 맞닿는 직선 구간과, 일부 구간마다 라운딩 형상으로 챔퍼링 가공된 곡선 구간으로 구획될 수 있다.
리테이너 링(10) 몸체의 하단부(200) 측 내경부(300)는 직선 구간과 곡선 구간이 구간별과 교번 배치될 수 있다. 여기서, 곡선 구간은 챔퍼링 된 하단부(200) 측 모서리(R1)에 비해 상대적으로 작은 라운딩값을 가질 수 있다.
이러한 조건은, 웨이퍼가 끝단부로 갈수록 가압력이 세지는 것에 기인한 결과로, 결과적으로 웨이퍼가 전체적으로 균일하게 가압된 상태에서 연마되도록 하여 웨이퍼의 끝단부 제거율(에지 제거율)을 줄일 수 있도록 한다.
제1 그루브(220)의 구간별 폭(w1, w2) 조건은 같거나 상이할 수 있다.
제2 그루브(230)의 폭(w3)은 기본적으로 제1 그루브(220)에 비해 상대적으로 작지만, 하단부(200)의 면적을 최소화하는 과정에서 제2 그루브(230)의 폭(w3)은 제1 그루브(220)의 폭(w1, w2)과 동일하거나 더 클 수도 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
1: 화학기계적 연마 장치 2: 정반
3: 연마 패드 4: 헤드
5: 웨이퍼 5a: 웨이퍼 끝단부
6: 종래의 리테이너 링 10, 10': 리테이너 링
100: 상단부 110: 헤드 체결면
120: 볼트홈 200: 하단부
210: 패드 가압면 211: 접촉부
212: 비접촉부 220: 제1 그루브
230: 제2 그루브 300: 내경부
400: 외경부 500: 인서트
R1 내지 R8: 라운딩부

Claims (7)

  1. CMP 공정에서 이용되는 환형 몸체의 리테이너 링으로서,
    상기 몸체의 하단부에, 웨이퍼를 감싸는 내경부에서 외경부로 갈수록 상향 경사지게 형성되며, 기 설정된 마모 지점을 갖는 패드 가압면;
    상기 패드 가압면상에서 상기 몸체의 하단부의 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 배치되어 슬러리 배출로를 이루는 복수의 제1 그루브; 및
    상기 패드 가압면상에서 상기 몸체의 하단부의 원주 방향을 따라 상기 제1 그루브와 교차되게 함몰 형성되는 제2 그루브를 포함하고,
    상기 패드 가압면은
    상기 몸체의 하단부의 내측 구간에 위치하여 연마 패드와 맞닿는 접촉부와, 상기 몸체의 하단부의 외측 구간에 위치하여 상기 연마 패드와 닿지 않는 비접촉부로 구획되는 것을 특징으로 하고,
    상기 비접촉부의 외측 끝단이 상기 패드 가압면의 마모 지점에 위치할 시, 상기 비접촉부의 외측 끝단은 리테이너 링으로서의 사용 가능 여부를 육안으로 가늠할 수 있는 한계 지점인 리테이너 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비접촉부는
    웨이퍼의 끝단부에 가해지는 응력을 최소화하기 위하여 상기 몸체의 하단부의 외측 구간이 상향 경사지도록 절개된 형태인 것인 리테이너 링.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비접촉부와 상기 몸체의 상단면까지의 수직 두께는, 상기 접촉부와 상기 몸체의 상단면까지의 수직 두께보다 상대적으로 얇은 것인 리테이너 링.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몸체의 하단부 측 외경부와, 상기 제1, 2 그루브가 형성된 상기 패드 가압면의 끝단 모서리는 라운딩(Rounding) 형상으로 챔퍼링(Chamfering) 가공되는 것인 리테이너 링.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몸체의 하단부 측의 내경부 모서리는
    웨이퍼의 끝단부와 맞닿는 직선 구간과,
    일부 구간마다 라운딩(Rounding) 형상으로 챔퍼링(Chamfering) 가공된 곡선 구간으로 구획되는 것인 리테이너 링.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 몸체의 하단부 측 내경부는 직선 구간과 곡선 구간이 구간별로 교번 배치되되, 상기 곡선 구간은 상기 몸체의 하단부 측 모서리에 비해 상대적으로 작은 라운딩값을 가지는 것인 리테이너 링.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2 그루브는
    상호 동일한 깊이로 함몰 형성되는 것인 리테이너 링.
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