KR19980032714A - 화학 기계적 연마 장치용 재료 층을 갖춘 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 관한 것으로서, 정합 재료의 층은 기판용 설치 표면을 제공하도록 캐리어 헤드의 리세스내에 배치되고, 상기 정합 재료는 탄성이 있을 수도 있으며, 적용된 하중에 응답하여 정상 응력 변형이 이루어지고, 캐리어 헤드는 또한 받침 고정물에 탈착가능하게 연결된 지지체 고정물, 정합 재료에 직접 연결된 보유 링 및 정합 재료의 층의 일부분 위로 돌출되는 실드 링을 구비할 수도 있다.

Description

화학 기계적 연마 장치용 재료 층을 갖춘 캐리어 헤드

본 발명은 통상적으로 기판의 화학 기계 연마, 보다 더 상세하게는 화학 기계 연마 장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다.

이 출원은 노만 센던(Norman Shendon)에의해 1993년 12월 27일자로 출원된 화학 기계 연마 장치란 명칭의 미국 특허 출원 제 08/173,846호의 일부계속 출원인, 노만 센던에 의해 1994년 3월 2일자로 출원된 개선된 연마 제어를 하는 화학 기계 연마 장치란 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제 08/205,276호에 관한 것이다. 이들 출원은 본원에 참조된다.

집적 회로는 전형적으로 도체, 반도체, 또는 절연층의 연속 증착에의해 기판, 특히 실리콘 웨이퍼상에 형성된다. 각각의 층이 증착된 후, 층은 회로적 특성을 생성하도록 에칭된다. 일련의 층이 연속적으로 증착되고 그리고 에칭되면서, 기판의 외곽 또는 최외곽 표면, 예컨대, 기판의 노출 표면은 비평면성이 더욱 증가하게 된다. 이 비평면 외곽 표면은 집적회로 제조자에게는 상당히 문제가 있는 부분이다. 만약 기판의 외곽 표면이 비평면이라면, 이어서 그 위에 배치된 감광막 층은 또한 비평면이다. 감광막 층은 전형적으로 감광막상에 광 이미지의 초점을 맞추는 사진 평판 장치에 의해 전형적으로 패턴이 형성된다. 만약 기판의 외부 표면이 충분히 비평면이라면, 이어서 외곽 표면의 피크와 밸리 사이의 최대 높이 차이가 이미지 장치의 포커스의 깊이를 초과할 수도 있고, 그리고 이것은 광 이미지를 외곽 기판 표면에 초점을 적절하게 맞추는 것을 불가능하게 한다.

개선된 포커스의 깊이를 갖는 새로운 사진 평판 장치를 디자인하는데는 상당한 비용이 들어갈 수도 있다. 그밖에도, 집적 회로에서 사용되는 특징의 크기가 더 작을수록 더 짧은 파장의 광이 사용되어야만 하므로 포커스의 유용한 깊이가 더 감소되게 된다. 이에 따라, 실질적인 평탄화 층 표면을 제공하도록 기판 표면을 주기적으로 평탄화할 필요성이 있다.

이러한 평탄화 방법중 하나가 화학 기계 연마(CMP)이다. 전형적으로 이 평탄화 방법은 기판이 캐리어 또는 연마 헤드에 설치되어야 할 필요가 있다. 이어서, 기판의 노출된 표면은 회전 연마 패드에 대해 배치된다. 이 캐리어는 연마 패드에 대해 기판을 밀도록 기판상에 제어가능한 부하, 예컨대 압력을 제공한다. 그밖에도, 캐리어는 기판과 연마 패드 사이에 추가의 운동을 제공하도록 회전될 수도 있다. 연마제와 적어도 하나의 하나 반응제를 구비한 연마 슬러리는 패드와 기판 사이의 계면에 연마 화학 용액을 제공하도록 연마 패드위에 분포된다. CMP 공정은 매우 복잡하며, 단순한 습윤 샌딩과는 다르다. 이 CMP 공정에서 슬러리의 반응 제제는 반응 사이트를 형성하도록 기판의 외곽 표면과 반응한다. 연마 패드 및 연마 입자와 반응 사이트의 상호 반응으로 연마가 결과된다.

효과적인 CMP공정은 높은 연마 속도를 갖고 그리고 피니싱되고(적은 거칠기가 결핍됨) 그리고 평편한(큰 토포그래피가 결핍됨)기판 표면을 생성한다. 연마 속도, 피니쉬 및 평편도는 패드와 슬러리의 조합, 기판과 패드 사이의 관련 속도, 및 패드에 대해 기판을 프레싱하는 힘에 의해 결정된다. 부적절한 평편도 및 피니쉬는 결함이 있는 기판을 생성할수 있기 때문에, 연마 패드 및 슬러리 조합의 선택은 통상적으로 필요한 피니쉬 및 평편도에 의해 규정된다. 이러한 제한이 주어짐으로 인해, 연마 속도는 연마 장치의 최대 처리량을 지배한다.

연마 속도는 패드에 대해 기판을 프레싱하는 힘에 따라 좌우된다. 특히, 이 힘이 클수록, 연마 속도가 더 높다. 만약 캐리어 헤드가 불균일한 하중을 가한다면, 예컨대, 만약 캐리어가 기판의 한영역에 대해 다른 영역보다 더 많은 힘을 가한다면, 이에 따라 고압 영역은 저압 영역보다 더 빠르게 연마될 것이다. 이에 따라, 불균일 하중은 기판의 불균일한 연마를 결과한다.

집적 회로를 제조함에 있어서, 그밖에 고려하여야 할점은 공정 및 제조의 안정성이다. 높은 수율, 예컨대 낮은 결함률을 달성하기 위해서는, 각각의 연속적인 기판은 실질적으로 유사한 조건하에서 연마되어야 한다. 각각의 기판은 각각의 집적 회로가 실질적으로 동일하도록 대략 동일한 양으로 연마되어야만 한다.

전술한 점에 비추어, 바람직한 평편도와 피니쉬를 제공하는 한편, 연마 처리량을 최적화하는 화학 기계적 연마 장치의 필요성이 있다. 특히, 화학 기계적 연마 장치는 기판에 실질적으로 균일한 하중을 가하도록하는 캐리어 헤드를 갖추어야 한다.

도 1은 화학 기계적 연마 장치의 개략적 사시도.

도 2는 도 1의 화학 기계적 연마 장치의 지지 어셈블리, 캐리어 헤드 및 연마 패드의 단면도.

도 3A은 도 1의 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 연마 패드의 개략적 단면도.

도 3B는 다른 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 4는 정합 재료로 채워진 다중 밀폐된 용적을 갖는 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 5는 하중 기구를 갖춘 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 6은 화학 기계적 연마 장치의 확대 사시도.

도 7은 상부 하우징이 제거된 캐러셀의 개략적 평면도.

도 8은 선 8-8을 따라 도 7의 캐러셀을 도시한 단면도.

도 9A는 본 발명에 따른 정합 재료의 층과 벨로우즈를 구비한 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 9B는 벨로우즈가 유연성 막에 의해 대체된 도 9A의 캐리어 헤드를 도시한 도면.

도 10은 도 9A와 9B의 캐리어 헤드의 정합 재료의 층과 접촉되는 기판을 예시적으로 도시한 단면도.

도 11A는 정합 재료의 층에서 진공 척 고정 라인을 예시한 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 11B는 캐리어 헤드에 하중을 적용함에 의해 진공 척 고정 라인이 폐쇄된 도 11A의 캐리어 헤드를 도시한 도면.

도 12A는 진공 포켓을 형성하도록 수직 이동성 실린더가 결합된 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 개략적 단면도.

도 12B는 수직 이동성 실린더가 진공 포켓을 형성하도록 위치된 도 12A의 캐리어 헤드를 도시한 도면.

도 13은 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 다른 실시예의 개략적 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 기판 30 : 화학 기계적 연마 장치

32 : 베이스 40 : 플래튼(platen)

42 : 연마 패드 44 : 연마 표면

50 : 슬러리 52 : 슬러리 공급관

60 : 지지체 어셈블리 62 : 크로스 바아

72 : 구동 샤프트 74 : 하우징

100, 300 : 캐리어 헤드

본 발명의 한관점에 따르면, 본 발명은 화학 연마 장치에서 연마 표면상에 기판을 위치시키는 캐리어에 관한 것이다. 이 캐리어는 정합 재료의 층을 유지하는 하우징에 연결된 하우징 및 격실 어셈블리를 포함한다. 정합 재료의 층은 기판용 설치 표면을 제공한다.

본 발명의 실행은 다음과 같다. 격실 어셈블리는 밀폐된 용적내에 배치된 정합 재료와 밀폐된 용적을 형성하는 유연성 막을 구비할 수도 있다. 유연성 막은 받침 부재에 부착될 수도 있고, 그리고 플랙시블 연결기는 받침 부재를 하우징에 연결시킬 수도 있다. 유연성 막은 제 1 밀폐된 용적을 형성하는 제 1 유연성 막 부분과 제 2 밀폐된 용적을 형성하는 제 2 유연성 막 부분을 구비할 수도 있고, 그리고 정합 재료는 제 1 밀폐 용적내에 배치된 제 1 점도를 갖는 제 1 정합 재료와 제 2 밀폐 용적내에 배치된 제 2 점도를 갖는 제 2 정합 재료를 구비할 수도 있다. 정합 재료는 실리콘, 젤라틴 또는 우레탄과 같은 점탄성을 갖는 재료가 될 수도 있다. 정합 재료는 적용된 하중에 응답하여 탄성도 및 정상적인 응력 변형 모두를 제공하도록 선택된 25 내지 35와 같은 경도계 크기를 가질 수도 있다. 격실 어셈블리는 리세스를 갖춘 베이스 부재를 구비할 수도 있고, 그리고 정합 재료의 층은 설치 표면을 제공하도록 리세스내에 배치될 수도 있다. 베이스 부재는 캐리어 헤드에 탈착 가능하게 연결될 수도 있다. 대략적으로 기판과 동일한 두께를 갖는 보유 링은 설치 표면에 연결될 수도 있다. 보유 링보다 더 얇은 실드는 베이스 부재에 연결될 수도 있으며, 그리고 보유 링을 에워싸도록 정합 재료의 층의 부분 위로 돌출될 수도 있다. 기판이 연마 표면에 대해 압착될 때 정합 재료가 압출되는 것을 방지하도록 위치될 수도 있다. 캐리어는 기판을 설치 표면에 부착시키는 척 고정 기구를 더 포함할 수도 있다. 척 고정 기구는 정합 재료의 층을 통해 설치 표면에 형성된 통로를 구비할 수도 있고, 그리고 펌프는 기판이 설치 표면에 흡입되도록 하는 통로에 연결될 수도 있다. 통로는 펌프가 통로에 흡입을 가할 때 붕괴되지 않을 정도의 지름을 갖출 수도 있다. 척 고정 기구는 기판이 설치 표면에 흡입되도록 정합 재료의 층과 기판 사이에 포켓을 구비할 수도 있다.

본 발명의 장점은 다음과 같다. 캐리어는 기판을 고르게 연마하도록 기판의 뒷면의 균일한 하중을 제공한다. 연마 패드가 경사지거나, 기판이 휘어지거나 또는 기판의 뒷면에 또는 강성 표면의 밑면에 불규칙성이 있을 때 정합 재료는 변형되고 이것의 매스가 재 분포된다. 이 정합 층은 연마 공정에 관하여 화학적으로 비활성이다. 캐리어 헤드는 또한 기판을 연마 패드에 떨어지게 상승시키도록 기판을 진공 고정시킬수 있다.

본 발명의 장점은 다음 설명으로부터 알수 있을 것이며, 부분적으로는 이 설명으로부터 더 명백해질것이며, 또는 본 발명을 실행하여 알수 있을 것이다. 본 발명의 장점은 특히 청구범위에 지적된 것을 실행하고 조합하여 구현될 수도 있다.

본 발명의 명세서를 설명하고 그 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명을 개략적으로 예시하고 그리고 상기 및 다음에 설명될 일반적인 설명에 의해 본 발명의 주요 원리를 설명할 것이다.

도 1 및 2에서 알 수 있듯이, 화학 기계적 연마(CMP) 장치(30)는 회전 가능한 플레튼(40) 및 연마 패드(42)를 지지하는 베이스(32)를 구비한다. CMP장치(30)는 기판(10)을 수용하고 그리고 연마 패드상에 기판을 위치시키는 캐리어 또는 캐리어 헤드(100)를 더 구비한다. 지지체 어셈블리(60)는 캐리어 헤드(100)를 베이스(32)에 연결시킨다. 캐리어 헤드는 지지체 어셈블리(60)에 의해 연마 패드의 표면에 대해 위치된다.

기판(10)이 8인치(200mm) 지름의 디스크라면, 플래튼(40) 및 연마 패드(42)는 지름이 약 20인치(508mm)일 것이다. 플래튼(40)은 바람직하게는 구동 샤프트(도시되지 않았음)에 의해 구동 기구(역시 도시되지 않았음)에 연결된 회전가능한 알루미늄 또는 스테인레스 강판이다. 또한, 구동 샤프트는 스테인레스 강일 수도 있다. 모터 및 기어 어셈블리와 같은 구동 기구는 플래튼 및 연마 패드를 회전시키도록 베이스에 내면에 위치된다. 플래튼은 베어링에 의해 베이스상에 지지될 수도 있고 그리고 구동 기구는 플래튼을 지지할 수도 있다. 대부분의 연마 공정에 있어서, 낮거나 또는 높은 회전 속도가 사용될 수도 있지만, 구동 기구는 분 당 3 내지 2백회의 회전에서 플래튼(40)을 회전시킨다.

도 3A에 있어서, 연마 패드(42)는 거친 연마 표면(44)을 갖춘 경질의 복합 재료일 수도 있다. 연마 패드(42)는 50밀 두께의 경질 상부 층(46) 및 50밀 두께의 연질 하부 층(48)을 갖출 수도 있다. 상부 층(46)은 바람직하게는 다른 충진재와 혼합된 폴리우레탄으로 구성된 재료이다. 하부 층(48)은 바람직하게는 우레탄으로 리칭된 압축된 팰트 섬유로 구성된 재료이다. IC-1000으로 구성된 상부 층 및 수바(SUBA)로 구성된 하부 층을 갖춘 통상의 2개 층 연마 패드는 델라웨어(Delaware), 네와르크(Newark)의 로델 잉크(Rodel, Inc)로부터 시판되고 있다.(IC-1000 및 수바-4는 로델, 잉크의 제품명이다)

도 1에서, 반응 제제(예컨대, 산화물 연마를 위한 탈이온수), 연마 입자(예컨대, 산화물 연마를 위한 이산화 실리콘), 및 화학 반응 촉매(예컨대, 산화물 연마를 위한 수산화 칼륨)를 포함하는 슬러리(50)가 연마 패드(42)의 표면에 공급된다. 슬러리 공급 튜브 또는 포트(52)는 슬러리를 연마 패드에 분포시키거나 또는 크기를 측정(meter)한다. 또한, 슬러리는 또한 플래튼(40) 및 연마 패드(42)내의 통로(도시되지 않았음)를 통해 기판(10)의 밑면으로 펌핑될 수도 있다.

연마 패드와 관련하여 캐리어 헤드를 위치시키기 위해서는, 지지체 어셈블리(60)는 연마 패드를 넘어 연장되는 크로스바아(62)를 구비한다. 크로스바아(62)는 한쌍의 대향된 수직 부재(64a, 64b, 및 66)와 바이어싱 피스톤(68)에 의해 연마 패드위에 위치된다. 크로스 바아(62)의 한 단부는 힌지(65) 수단에 의해 수직 부재(64a 및 64b)에 연결된다. 크로스 바아)62)의 다른 단부는 바이어싱 피스톤(68)에 연결된다. 바이어싱 피스톤은 캐리어 헤드의 수직 위치를 제어하도록 크로스 바아(62)를 하강시키고 그리고 상승시킬 수도 있다. 제 2 수직 부재(66)는 크로스 바아의 하향 운동을 제한하는 수직 정지부를 제공하도록 바이어싱 피스톤(68)에 바로 접해서 위치된다.

캐리어 헤드(100)상에 기판을 배치하기 위해서는, 크로스 바아는 바이어싱 피스톤으로부터 연결이 풀리고, 그리고 크로스 바아는 캐리어 헤드(100)를 연마 패드에 떨어져서 리프팅시키도록 힌지(65) 둘레로 회전된다. 기판은 이어서 캐리어 헤드내에 배치되고 그리고 캐리어 헤드는 연마 표면(44)에 대해 기판(10)을 배치시키도록 하강된다(도 3A 참조).

지지체 어셈블리(60)는 연마 패드 둘레로 기판을 제어 가능하게 궤도를 그리며 돌고 그리고 회전시키도록 크로스 바아(62)로부터 현가되어 있는 전달 케이스(70)를 구비한다. 전달 케이스(70)는 구동 샤프트(72)와 하우징(74)를 구비한다. 고정된 내부 허브(76)는 예를들어 다수의 볼트(도시되지 않았음)에 의해 크로스 바아(62)의 밑면에 단단하게 고정된다. 회전 가능한 외부 허브(78)는 상부 및 하부 테이퍼된 베어링(77)에 의해 고정된 내부 허브(76)에 저어널식으로 고정된다. 이들 베어링은 수직 지지체를 회전가능한 외부 허브(78)에 제공하는 한편, 이것이 고정된 내부 허브와 관련하여 회전되도록 한다. 이 구동 샤프트(72)는 고정된 내부 허브(76)를 통해 뻗어있고 그리고 또한, 구동 샤프트(72)가 고정된 내부 허브(76)와 관련하여 회전하도록 하는 테이퍼된 베어링(79)에 의해 수직으로 지지된다.

상술한 미국 특허 출원 제 08/173,846호에 논의된 바와 같이, 제 1 모터 및 기어 어셈블리(80)는 캐리어 헤드의 궤도 운동을 제어하도록 구동 샤프트(72)에 연결되고, 그리고 제 2 모터 및 기어 어셈블리(84)는 캐리어 헤드의 회전 운동을 제어하도록 풀리(85)와 구동 벨트(86 및 87) 수단에 의해 회전가능한 외부 허브(78)에 연결된다. 수평 크로스 아암(88)의 한 단부는 구동 샤프트(72)의 하부 단부에 연결된다. 크로스 아암(88)의 다른 단부는 보조 수직 구동 샤프트(90)의 상단에 연결된다. 보조 구동 샤프트(90)의 바닥은 캐리어 헤드에서 원통형 디프레션(112)에 맞추어진다. 이에 따라, 구동 샤프트(72)가 회전될 때, 이것은 궤도 통로에서 구동 샤프트(90)과 캐리어 헤드(100)를 스위핑한다.

또한, 지지체 어셈블리(60)는 캐리어 헤드(100)의 회전 속도를 제어하도록 회전 보정 어셈블리를 구비한다. 이 보정 어셈블리는 하우징(74)의 회전가능한 외부 허브(78)의 바닥에 연결된 링 기어(94) 및 크로스 아암(88)의 바로 아래에서 보조 구동 샤프트(90)에 연결된 피니온 기어(96)를 구비한다. 링 기어(94)는 내부 치차를 갖는 표면을 갖추고 있으며, 그리고 피니온 기어(96)는 링 기어(94)의 내부 치형을 갖는 표면과 결합하는 외부 치형을 갖는 표면을 구비한다. 크로스 아암(88)이 피봇팅되면서, 이것은 링 기어(94)의 내주부 둘레에서 피니온 기어(96)를 스위핑한다. 한쌍의 다우얼(dowel) 핀(98)은 캐리어 헤드와 관련하여 피니온 기어를 회전가능하게 고정하도록 피니온 기어(96)로부터 캐리어 헤드내에서의 한쌍의 다우얼 핀 홀(114)로 뻗어 있다. 이에 따라, 회전 가능한 외부 허브(78)의 회전 운동은 링 기어(94), 피니온 기어(96), 및 핀(98)에 의해 캐리어 헤드(100)에 전달된다.

보정 어셈블리는 CMP 장치(30)의 사용자가 캐리어 헤드의 회전 및 궤도 운동의 분력 양쪽을 변경시키고, 그리고 이에 따라 기판(10)의 회전 및 궤도를 제어하도록한다. 회전가능한 외부 허브(78)를 회전시킴과 동시에 구동 샤프트(72)를 회전시킴에 의해, 캐리어 헤드의 효과적인 회전 운동이 제어될 수도 있다. 캐리어 헤드(100) 및 기판(10)은 회전하거나, 궤도를 돌며 운동하거나 또는 궤도 회전 운동을 야기할 수도 있다. 캐리어 헤드는 분당 3 내지 2백회 회전에서 회전(rpm)하거나 또는 궤도운동을 할 수 있다.

기판이 궤도를 돌며 운동하면서 연마 패드가 회전될 수도 있다. 바람직하게는, 궤도 반경은 2인치 이하이고, 그리고 연마 패드는 예컨대 10rpm 이하 및 더 바람직하게는 5rpm 이하의 상대적으로 저속에서 회전한다. 기판의 궤도 및 연마 패드의 회전은 분당 1800 내지 4800㎝의 기판의 표면에서의 공칭 속도를 제공하도록 조합된다.

기판은 전형적으로 주 연마 단계 및 최종 연마 단계를 포함한 다중 연마 단계를 거치게 된다. 주 연마 단계에 있어서, 캐리어 헤드(100)는 기판(10)에 평방 인치 당 4 내지 10 파운드(psi)의 힘을 가하는 한편 캐리어 헤드(100)는 그 이상의 또는 그 이하의 힘을 가할 수도 있다. 최종 연마 단계에 있어서, 캐리어 헤드(100)는 약 3psi를 가할 수도 있다.

일반적으로, 캐리어 헤드(100)은 토오크를 구동 샤프트로부터 기판에 전달하고, 연마 표면에 대해 기판에 균일하게 하중을 가하고, 그리고 연마 조작을 하는동안 캐리어 헤드의 아래로부터 기판이 슬립핑되어 나오는 것을 방지한다.

도 3A에 더 상세하게 도시하였지만, 캐리어 헤드(100)는 3개의 주요 어셈블리, 예컨대,하우징 어셈블리(102), 기판 하중 어셈블리(104), 및 보유 링 어셈블리(106)를 포함한다. 하우징 어셈블리(102)는 연마하고자 하는 기판이 원형 배치에 맞추어지도록 일반적으로 원형이다. 하우징 어셈블리(102)는 기계 가공된 알루미늄일 수도 있다. 하우징 어셈블리(102)의 상단 표면은 보조 구동 샤프트(90)를 수용하는 원통형 리세스(112)를 갖춘 원통형 허브(110)를 구비한다. 적어도 하나의 통로(116)는 리세스(112)를 하우징 어셈블리(102)의 바닥에 연결시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 구동 샤프트(72)는 하나 또는 그 이상의 채널(150)을 구비하고, 그리고 보조 구동 샤프트(90)는 유동 및 전기 접속을 캐리어 헤드에 제공하도록 하나 또는 그 이상의 채널(152)을 구비한다. 구동 샤프트(72)의 상단에서의 로터리 커플링(154)은 채널(150)을 하나 또는 그 이상의 유동 또는 전기 라인(156)을 연결시킨다. 예를 들어, 라인(156)중 하나는 다음에 기술되겠지만 정합 재료 공급 라인일 수도 있다. 크로스 아암(88)에서의 다른 회전 커플링(도시되지 않았음)은 구동 샤프트(72)에서의 채널(150)을 보조 구동 샤프트(90)에서의 채널(152)에 연결시킨다. 도시된 바와 같이, 통로(116)는 채널(152)을 기판 하중 어셈블리(104)에 연결시키는 하우징 어셈블리(102)를 통해 통과된다.

연마 패드가 회전되면서, 이것은 캐리어 헤드의 아래로부터 기판을 당겨내려한다. 이에 따라, 캐리어 헤드(100)는 하우징 어셈블리(102)로부터 하향되어 돌출되고, 그리고 기판의 외주부 둘레의 주변으로 연장되는 보유 링 어셈블리(106)를 구비한다. 보유 링 어셈블리(106)는 보유 링 어셈블리가 연마 패드에 놓여지고, 그리고 연마 표면(44)의 높이의 변화를 조정하는 것이 자유롭도록 키이 및 키이 통로 어셈블리(120)와 함께 하우징 어셈블리(102)에 부착될 수도 있다. 보유 링 어셈블리(106)의 내부 에지는 연마 패드가 캐리어 헤드 아래로부터 기판을 당겨낼 수 없도록 기판을 포착하여 고정시킨다. 보유 링 어셈블리(106)는 강성 플라스틱 재료로 제조될 수도 있다.

기판 하중 어셈블리(104)는 보유 링 어셈블리(10)에 의해 형성된 리세스에서 하우징 어셈블리(102) 아래에 위치된다. 기판 하중 어셈블리(104)는 제거가능한 캐리어 판(124), 밀폐 용적(126)을 형성하는 막(134), 및 제거가능한 캐리어 필름(128)을 구비할 수도 있다. 밀폐된 용적(126)은 보유 링 어셈블리(106)에 의해 에워쌓인 원통형 리세스내에 위치될 수도 있다.

제거가능한 캐리어 판(124)은 기판과 지름이 대략적으로 동일한 원형의 스테인레스 강 디스크일 수도 있다. 캐리어 판이 존재하지 않는다면, 캐리어 판의 하부 표면과 하우징의 하부 표면은 막이 점착되어 부착될 수도 있는 면(130)을 제공한다.

밀폐된 용적(126)은 정합 재료(132)로 채워진다. 정합 재료(132)는 점성, 탄성 또는 점탄성이 동시에 변형되는 비가스상 재료이다. 바람직하게는, 정합 재료(132)는 실리콘, 젤라틴 또는 압력하에서 매스를 재분포시킬 수 있는 점탄성을 갖춘 다른 물질과 같은 점탄성을 갖춘 재료이다. 연마하는 동안 가해진 압력은 밀폐된 용적(126)내에서 정합 재료의 수단에 의해 기판을 가로질러 실질적으로 균일하게 분포된다.

도 3A에 도시된 바와 같이, 막(134)은 밀폐된 용적(126)을 형성한다. 막은 고무와 같이 유연성이 있으며, 신장될 수 있으며, 압축성이 있는 재료로 구성된다. 막은 정합 재료(132)를 전체적으로 캡슐로 에워쌀 수도 있다. 막(134)의 상부 표면(136)은 면(130)에 대해 배치된다. 이와 달리, 도 3B에 도시된 바와 같이, 밀폐된 용적은 편(130) 아래에 리세스를 가로질러 막을 연장시키고, 그리고 상기 밀폐된 용적을 정합 재료(132)로 채움에 의해 형성될 수도 있다.

캐리어 필름(128)은 막(134)의 하부 표면에 부착될 수도 있다. 캐리어 필름(128)은 우레탄과 같은 다공성 재료의 얇은 원형 층으로 형성된다. 캐리어 필름(128)은 사용될 경우, 기판(10)의 표면에 실질적으로 합치되도록 충분히 얇고 유연성이 있다. 캐리어 필름(128)은 표면 장력에 의해 기판(10)이 해체가능하게 부착되는 설치 표면(142)을 제공한다. 이와달리, 만약 캐리어 필름이 사용되지 않는다면, 막(134)의 하부 표면은 동일한 것을 이루도록 다공성이 될 수도 있다(도 5 참조). 캐리어 필름(128)은 기판(10)의 표면에 실질적으로 합치되도록 충분히 얇고 유연성이 있다.

보유 링 어셈블리(106) 및 설치 표면(142)에 의해 형성된 공간은 기판 수용 리세스(140)를 제공한다. 기판은 설치 표면(128)에 대해 배치되어, 정합 재료(132) 및 캐리어 필름(128)이 경우에 따라, 그것의 전체 뒷면을 가로질러 기판과 접촉되어 변형되게 한다. 캐리어 헤드(100)는 기판이 연마 표면(44)과 접촉되도록 하강된다. 기판에 가해진 하중은 정합 재료(132)를 통해 전달된다.

연마 표면(44)은 비평면일 수도 있는데, 예컨대, 이것은 경사진 외형을 가질 수도 있다. 캐리어 판(124) 및 하우징 어셈블리(102)의 밑면 또는 표면(141)이 또한 비평면이 될 수도 있다. 연마 패드는 캐리어 헤드와 연관되어 회전될 수도 있다. 그 밖에도, 기판(10)의 뒷면은 표면 불규칙성을 가질 수도 있다. 또한, 기판은 휘어질 수도 있다. 정합 재료(132)는 큰 작용(예컨대, 경사진 연마 패드) 및 작은 작용(예컨대, 기판의 뒷면상의 표면 불규칙성)으로 기판상에 캐리어 하중을 균일하게 재분포하는 것을 보장한다. 정합 재료(132)는 면(130) 뿐만아니라 기판표면에 합치된다. 즉, 막(134) 내면의 정합 재료가 기판과 면(130)의 뒷면에 표면 불규칙성에 합치되도록 그것의 매스를 재분포시킨다. 정합 재료가 그것의 전체 뒷면을 가로질러 표면과 접촉하기 때문에 그리고 정합 재료가 균일한 밀도를 갖기 때문에, 이것은 기판의 뒷면을 가로질러 균일한 하중을 보장한다. 나아가, 정합 재료(132)는 유동되고 그리고 변형될 수도 있다. 이것은 연마 패드의 외형을 따르도록 하우징 어셈블리(102)와 관련하여 기판이 경사지도록 한다. 요약하면, 정합 재료는 캐리어 헤드(100)가 연마 표면(44)에 대해 기판에 하중을 가한다.

캐리어 헤드(100)가 고속에서 회전할 때, 원심력은 밀폐된 용적내의 정합 재료를 캐리어 헤드의 에지를 향해 외향되어 밀도록 할 것이다. 이것은 밀폐된 용적의 주변 근처에서 정합 재료의 밀도를 증가시키려 할 것이다. 이에 따라, 밀폐된 용적의 에지 근처에서의 정합 재료는 중앙 보다 압축성이 적게 되려 할 것이고, 그리고 비균일 하중이 기판에 가해질 수도 있다.

이 비균일 하중을 방지하기 위해서, 밀폐된 용적(126)은 통로(116), 채널(150, 및 152), 및 정합 재료 공급 라인(156)에 의해 공급부(158)에 연결된다. 공급부(158)는 일정 압력에서 정합 재료를 밀폐 용적(126)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 캐리어 헤드(100)가 회전될 때 그리고 정합 재료(132)가 밀폐된 용적의 에지를 향해 힘이 가해질 때, 공급부(158)는 추가의 정합 재료를 밀폐된 용적의 중앙에 제공하고 그리고 정합 재료를 밀폐된 용적(126) 곳곳에 실질적으로 균일한 분포로 유지한다. 정합 재료의 균일한 분포는 기판의 중앙 및 에지에서 균일한 연마를 보장한다.

공급부(158)는 또한 정합 재료(132)의 점도를 제어하는데 사용될 수도 있다. 정합 재료상의 압력을 증가시킴에 의해, 정합 재료(132)의 밀도는 증가될 수 있다. 정합 재료(132)의 밀도가 증가한다면, 그것의 점도는 감소될 것이다.

공급부(158)로부터의 최소 압력은 캐리어 헤드에 의해 기판에 가해진 하중을 극복해야만 하고, 또한, 이 하중은 통로(116)를 통해 정합 재료의 뒤로 힘을 가할 것이다. 캐리어 헤드가 회전을 정지할 때, 정합 재료는 막(134)의 곳곳에 균일하게 재분포된다. 이어서, 초과의 정합 재료는 통로(116,150,152)를 통해 공급부(158)로 뒤로 유동된다.

다른 실행에 있어서, 정합 재료(132)는 원심력의 영향하에서 유동되지 않도록 충분히 강한 고무와 같은 재료일 수도 있다. 이 실행 방법에 있어서, 정합 재료(132)의 분포는 캐리어 헤드(100)가 회전될 때 상당히 변경되지 않는다. 이에 따라, 정합 재료 공급부(158)는 필요하지 않다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기판 하중 어셈블리(104)는 다중 격실 또는 밀폐된 용적(160 및 162)을 구비할 수도 있다. 밀폐된 용적(160 및 162)은 2개 또는 그 이상의 막 부분에 의해 형성된다. 막 부분은 분리된 구별 막일 수도 있거나, 또는 그들은 단일 막의 다른 부분일 수도 있다. 밀폐된 용적(160)은 설치 표면(142)의 중앙 위에 위치된, 원형 디스크일 수도 있고, 그리고 밀폐된 용적(162)은 밀폐된 용적(160)을 에워싸는 환형 링일 수도 있다. 밀폐된 용적(160 및 162)은 각각 정합 재료(164 및 166)를 포함한다. 정합 재료(164 및 166)은 다른 점도를 갖는다. 정합 재료(164 및 166)의 상관되는 점도를 선택함에 의해, 기판 에지에 대한 초과의 연마를 피할 수도 있고, 그리고 기판에 대한 더 균일한 연마가 이루어질 수도 있다. 각각의 밀폐된 용적은 통로(168)에 의해 공급부(도시되지 않았음)에 연결될 수도 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(100)는 지지 어셈블리(60)(참조, 도 3A)에 의해 수직적으로 고정된 위치에 고정될 수도 있고, 그리고 힘이 캐리어 헤드에 의해 기판(10)에 가해질 수도 있다. 이 실시예에서, 하중 어셈블리(104)는 벨로우즈(170)와 같은 플랙시블 연결기를 구비할 수도 있다. 벨로우즈(170)는 기판 받침 부재(174)를 하우징 어셈블리(102)의 바닥 표면(173)에 연결시킨다. 벨로우즈(170)는 기판 받침 부재(174)가 하우징 어셈블리(102)와 관련하여 수직으로 운동될수 있도록 팽창될 수 있다. 벨로우즈(170)의 내부는 압력 챔버(176)를 형성한다. 압력 챔버(176)는 도관(178)에 의해 압력 챔버(176)에 연결된 압력 또는 진공 원(도시되지 않았음)에 의해 네가티브 또는 포지티브하게 가압될 수 있다. 막(134)은 기판 받침 부재(174)의 바닥 면에 부착된다. 챔버(176)에 힘을 가함에 의해, 힘이 연마 패드에 대해 기판을 프레싱하도록 정합 재료(132)에 가해진다. 이에 따라, 플랙시블 연결기(170)는 하중 기구로서 작용하고, 그리고 바이어싱 피스톤(68)을 복귀시킨다.

밀폐된 용적(126)은 도 2의 실시예에 도시된 바와 같이, 공급부에 연결될 수도 있다. 이 목적을 위해, 플라스틱 배관이 될 수도 있는 플랙시블 도관(182)은 기판 받침 부재(174)에서의 통로(180)를 하우징 어셈블리(102)에서의 통로(116)에 연결시킨다. 플랙시블 도관(182)이 통로(180 및 116)에 연결되는 지점은 정합 재료(132)가 압력 챔버(176)로 누출되는 것을 방지하도록 적절한 피팅에 의해 밀봉될 수도 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서 하나 또는 그 이상의 기판(10)은 화학 기계 연마(CMP) 장치에 의해 연마된다. CMP 장치는 퍼로프(Perlov) 등의 1996년 10월 27일자로 출원된 화학 기계 연마용 캐러셀 처리 장치란 명칭의 08/549,336호에 상세히 설명되어 있으며, 이건은 본원에 참조되며, 본원의 출원인에게 양도되었다.

CMP 장치(220)는 그 위에 테이블 상단(223)이 설치된 하부 기계 베이스(222) 및 제거가능한 상부 외부 커버(도시되지 않았음)를 구비한다. 테이블 상단(223)은 연속적인 연마 스테이션(225a, 225b, 및 225c) 및 전달 스테이션(227)을 지지한다. 전달 스테이션(227)은 연마 스테이션(225a, 225b, 및 225c)과 함께 일반적으로 사각형의 장치를 형성한다. 전달 스테이션(227)은 하중 장치(도시되지 않았음)로부터 개개의 기판의 수용하고, 기판을 세척하고, 캐리어 헤드에 대해 기판에 하중을 가하고(이후에 기술됨), 2로부터 기판을 수용하고, 기판을 다시 세척하고, 그리고 최종적으로 기판을 하중 스테이션에 원위치로 전달하는 다중 작용을 하게된다.

각각의 연마 스테이션(225a-225c)은 연마 패드(232)가 배치되어있는 회전가능한 플래튼(230)을 구비한다. 기판(10)이 8인치(200mm)지름의 디스크라면, 플래튼(230) 및 연마 패드(232)는 지름이 약 20인치(508mm)일 것이다. 플래튼(230)은 바람직하게는 스테인레스 강 플래튼 구동 샤프트(도시되지 않았음)에 의해 플래튼 구동 모터(도시되지 않았음)에 연결된 회전가능한 알루미늄 또는 스테인레스 강 판이다. 대부분의 연마 공정에 있어서, 구동 모터는 분 당 3 내지 2백회의 회전수로 회전하는 한편, 더 낮거나 또는 더 높은 회전 속도가 사용될 수도 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 연마 패드(232)는 거친 연마 표면(234)을 갖춘 복합 재료이다. 연마 패드(232)는 압력 민감 점착성 층(239)에 의해 플래튼(230)에 부착될 수도 있다. 연마 패드(232)는 50밀 두께의 경질 상부 층(236) 및 50밀 두께의 연질 하부 층(238)을 갖출 수도 있다. 상부 층(236)은 바람직하게는 다른 충진재와 혼합된 폴리우레탄으로 구성된 재료이다. 하부 층(238)은 바람직하게는 우레탄으로 리칭된 압축된 팰트 섬유로 구성된 재료이다. IC-1000으로 구성된 상부 층 및 수바로 구성된 하부 층을 갖춘 통상의 2개 층 연마 패드는 델라웨어, 네와르크의 로델 잉크로부터 시판되고 있다.(IC-1000 및 수바-4는 로델, 잉크의 제품명이다)

도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 연마 스테이션(225a-225c)은 관련된 패드 콘디셔너 장치(240)를 더 구비할 수도 있다. 각각의 패드 콘디셔너 장치(240)는 독립적으로 회전하는 콘디셔너 헤드(244)를 고정하는 회전가능한 아암(242) 및 연관된 세척 통(246)을 갖추고 있다. 콘디셔너 장치는 연마 조건을 유지하여 그것이 회전하는 동안 그것에 대해 프레싱된 기판을 효과적으로 연마할 것이다.

반응 제제(예컨대, 산화물 연마를 위한 탈이온수), 연마 입자(예컨대, 산화물 연마를 위한 이산화 실리콘), 및 화학 반응 촉매(예컨대, 산화물 연마를 위한 수산화 칼륨)를 포함하는 슬러리(250)가 슬러리 공급 튜브(252)에 의해 연마 패드(42)의 표면에 공급된다. 전체 연마 패드(232)를 커버하고 습윤시키도록 충분한 슬러리가 제공된다. 2개 또는 그 이상의 세척 스테이션(255a 및 255b)가 인접 연마 스테이션(225a, 225b, 및 225c) 사이에 위치된다. 세척 스테이션은 그들이 하나의 연마 스테이션으로부터 다른 스테이션으로 통과되면서 기판을 린싱한다.

회전가능한 다중 헤드 캐러셀(260)은 상부 기계 베이스(222) 위에 위치된다. 캐러셀(260)은 중앙 포스트(262)에 의해 지지되고, 그리고 그 위에서 베이스(222)내에 위치된 캐러셀 모터 어셈블리에 의해 캐러셀 축(264) 둘레에서 회전된다. 중앙 포스트(262)는 캐러셀 지지체 판(266)과 커버(268)를 지지한다. 다중 헤드 캐러셀(260)은 4개의 캐리어 헤드 장치(270a, 270b, 270c, 및 270d)를 구비한다. 3개의 캐리어 헤드 장치는 기판을 수용하여 유지하고, 그리고 연마 스테이션(225a-225c)의 플래튼(230)상에서 연마 패드(232)에 대해 그들을 프레싱하여 연마한다. 캐리어 헤드 장치중 하나는 기판을 수용하고 전달 스테이션(227)으로 기판을 운반한다.

4개의 캐리어 헤드 장치(270a-270d)는 캐러셀 축(264)둘레로 등각의 간격에서 캐러셀 지지체 판(266)상에 설치된다. 중앙 포스트(262)는 캐러셀 모터가 캐러셀 지지체 판(266)을 회전하도록 하고 그리고 캐리어 헤드 장치(270a-270d) 및 그것에 부착된 기판을 캐러셀 축(264)둘레로 궤도 운동을 하게한다.

각각의 캐리어 헤드 장치(270a-270d)는 연마 또는 캐리어 헤드(300)를 구비한다. 각각의 캐리어 헤드(300)는 그 자체의 축둘레로 독립적으로 회전하고 그리고 캐러셀 지지체 판(266)내에 형성된 방사형 슬롯(272)내에서 독립적으로 측방향으로 진동한다. 캐리어 구동 샤프트(274)는 캐리어 헤드 회전 모터(276)를 캐리어 헤드(300)에 연결시킨다.(커버(268)의 1/4을 제거하여 도시함) 하나의 캐리어 구동 샤프트와 각각의 헤드에 대한 모터가 제공된다.

캐러셀(260)의 커버(268)가 제거되어 있는 도 7에 도시된 바와 같이, 캐러셀 지지체 판(266)은 4개의 캐리어 헤드 장치(270a-270d)를 지지한다. 캐러셀 지지체 판은 일반적으로 반경방향으로 연장되어있고 90°이격되어 배향된 4개의 방사형 슬롯(272)을 구비한다. 방사형 슬롯(272)은 단부가 폐쇄되어 있거나 그렇지 않으면 단부가 개방되어 있을 수도 있다. 지지체 판의 상단은 4개의 슬롯이 형성된 캐리어 헤드 지지체 슬라이드(280)를 지지한다. 각각 슬라이드(280)는 방사형 슬롯(272)중 하나를 따라 정렬하고그리고 캐러셀 지지체 판(266)과 관련하여 방사형 통로를 따라 자유롭게 이동된다. 2개의 선형 베어링 어셈블리는 각각의 슬라이드(280)를 지지하도록 각각의 방사형 슬롯(272)을 브래킷팅(bracket)시킨다.

도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 각각의 선형 베어링 어셈블리는 캐러셀 지지체 판(266)에 고정된 레일(282) 및 레일을 붙잡아 슬라이드(280)에 고정된 2개의 핸드(283)(단지 하나만 도 8에 예시하였음)를 구비한다. 2개의 베어링(284)은 그들 사이에서 자유 및 스무드한 운동을 제공하도록 레일(282)로부터 각각의 핸드(283)를 분리한다. 이에 따라, 선형 베어링 어셈블리는 슬라이드(280)가 방사형 슬롯(272)을 따라 자유롭게 이동하도록 한다.

레일(282)의 하나의 외부 단부에 앵커(anchor)고정된 베어링 정지부(285)는 슬라이드(280)가 레일의 단부로부터 이탈되는 것을 방지한다. 각각의 슬라이드(280)의 아암들중 하나는 그것의 말단 단부에 인접해서 슬라이드에 고정된 너트 또는 예시되지는 않았지만 나사식 수용 공동을 포함한다. 나사식 공동 너트 또는 너트는 캐러셀 지지체 판(266)상에 설치된 슬라이드 래이디얼 오실레이터 모터(287)에의해 구동된 웜 기어 리드 스크류(286)를 수용한다. 모터(287)가 리드 스크류를 돌릴 때, 슬라이드(280)는 반경방향으로 운동한다. 4개의 모터(287)는 캐러셀 지지체 판(266)내의 방사형 슬롯(272)을 따라 4개의 슬라이드를 독립적으로 운동시키도록 독립적으로 조정될 수 있다.

캐리어 헤드(300), 캐리어 구동 샤프트(274), 캐리어 모터(276), 및 밀봉 비회전 샤프트 하우징(278)을 각각 구비한 캐리어 헤드 어셈블리 또는 장치는 4개의 슬라이드의 각각에 고정된다. 구동 샤프트 하우징(278)은 쌍으로 된 셋트의 하부 링 베어링(288) 및 한쌍의 상부 링 베어링(289)에 의해 구동 샤프트(274)를 고정시킨다. 각각의 캐리어 헤드 어셈블리는 연마 장치(220)로부터 해체되고, 조여지지 않은 상태에서 캐러셀 지지체 판(266)내에서 슬라이드(280)의 아암 사이에서 방사형 슬롯(272)으로 활주될 수 있으며, 그리고 그곳에서 슬라이드를 붙잡아 고정시키도록 조여질 수 있다.

구동 모터(286)의 상단에서 로터리 커플링(290)은 2개 또는 그 이상의 유체 또는 전기 라인(292)을 구동 샤프트(274)내에서 2 또는 그이상의 채널(294)에 연결시킨다. 이후에 더 상세하게 기술되겠지만, 채널(294)은 캐리어 헤드(300)에 압축공기식으로 동력을 전달하고, 캐리어 헤드의 바닥에 기판을 진공 척 고정시키고, 그리고 연마 패드에 대해 보유 링을 작용시키는데 사용된다.

실제로 연마하는 동안, 3개의 캐리어 헤드, 예컨대, 캐리어 헤드 장치중 일부(270a-270c)는 각각의 연마 스테이션(225a-225c)에 또는 그위에 위치된다. 캐리어 헤드(300)는 기판을 연마 패드(232)와 접촉되게 하강시키고 그리고 슬러리(250)는 기판 또는 웨이퍼를 화학 기계적 연마시키는 매질로서 작용한다. 캐리어 헤드(300)는 연마 패드에 대해 기판에 하중을 균일하게 가한다.

기판은 전형적으로 주요 연마 단계와 최종 연마 단계를 포함한 다중 연마 단계를 거치게된다. 스테이션(225a)에서 통상적으로 수행되는 주요 연마 단계에 있어서, 캐리어 헤드(300)는 기판(10)에 평방 인치 당 대략 4 내지 10파운드(psi)의 힘을 가한다. 연속적 스테이션에서, 캐리어 헤드(300)은 그 이상 또는 그 이하의 힘을 가할 수도 있다. 예를 들어, 스테이션(225c)에서 통상적으로 수행되는 최종 연마 단계에 있어서, 캐리어 헤드(300)는 약 3psi의 힘을 가할 수도 있다. 캐리어 모터(76)는 캐리어 헤드(300)를 분 당 3 내지 2백회의 회전수로 회전시킨다. 플래튼(230) 및 캐리어 헤드(300)는 실질적으로 동일한 속도에서 회전될 수도 있다.

일반적으로, 캐리어 헤드(300)는 연마 패드에 대해 기판을 유지시키고, 그리고 기판의 배면을 가로질러 하향 압력을 고르게 분포시킨다. 또한 캐리어 헤드는 구동 샤프트로부터 기판으로 토오크를 전달하고 그리고 기판이 연마하는동안 캐리어 헤드 아래로부터 미끄러져 나오지 않도록 보장한다.

도 9A에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(300)는 하우징 어셈블리(302), 하중 기구(274) 및 베이스 어셈블리(306)을 구비한다. 구동 샤프트(274)는 하우징 어셈블리(306)에 연결된다. 하중 기구(304)는 하우징 어셈블리(302)를 베이스 어셈블리(306)에 연결시킨다. 하중 기구는 하중, 예컨대 하향 압력을 베이스 어셈블리(306)에 가하였다. 어셈블리(306)는 연마 패드에 대해 기판을 밀도록 하중 기구(304)로부터 기판(10)로 하향 압력을 전달한다. 베이스 어셈블리(306)는 기판의 배면을 가로질러 하향 압력을 고르게 분포시키도록 하는 정합 층(308)을 구비한다. 각각의 이들 부품은 다음에 상세하게 기술하였다.

하우징 어셈블리(302)는 알루미늄 또는 스테인레스 강으로 형성될 수도 있다. 하우징 어셈블리는 일반적으로 연마하고자 하는 기판의 원형 배치에 일치하도록 하는 형태의 원형이다. 하우징 어셈블리의 상단 표면은 나사식 넥(neck)을 갖춘 원통형 허브(320)를 구비할 수도 있다. 구동 샤프트(274)를 캐리어 헤드(300)에 연결시키기 위해서는, 2개의 다우얼 핀(324)은 허브(320) 및 플랜지(296)내의 정합 다우얼 핀 홀로 삽입될 수도 있다. 이에 따라, 나사식 주변 너트(298)는 캐리어 헤드(300)를 구동 샤프트(274)에 단단히 부착시키도록 나사식 넥(322)상에 스크류식으로 고정된다. 구동 샤프트(274)가 회전할 때, 다우얼 핀(324)는 구동 샤프트와 동일한 축둘레로 캐리어 헤드를 회전시키도록 토오크를 하우징 어셈블리(302)에 전달한다.

적어도 2개의 도관(326 및 328)은 허브(320)를 통해 연장된다. 구동 샤프트(274)에서 각각의 채널(294)를 위한 하나의 도관이 제공될 수도 있다. 캐리어 헤드(300)가 구동 샤프트(274)에 부착될 때, 다우얼 핀은 도관(326 및 328)이 채널(294)을 연결하도록 캐리어 헤드를 정렬시킨다. O 링(도시되지 않았음)은 채널에서 도관들 사이의 유체 기밀 시일을 형성하도록 각각의 도관(326 및 328)을 에워싸는 허브(320)내에 위치될 수도 있다.

하중 기구(304)는 하우징 어셈블리(302)와 베이스 어셈블리(306) 사이에서 수직 운동성 시일을 형성하고, 그리고 압력 챔버(330)를 형성한다. 공기와 같은 가스는 베이스 어셈블리(306)에 가해진 하중을 제어하도록 도관(326)을 통해 압력 챔버(330)안으로 유입 및 유출되도록 펌핑된다. 공기가 압력 챔버(330)로부터 펌핑되어 유입될 때, 베이스 어셈블리(306)에는 기판(10)이 연마 패드(232)와 접촉되도록 하향의 힘이 가해진다. 공기가 압력 챔버(330)로부터 펌핑되어 나올 때, 베이스 어셈블리는 기판을 연마 패드(232)로부터 제거하도록 상향으로 상승된다.

하중 기구(304)는 압력 챔버(330)를 형성하도록 베이스 어셈블리(306)와 하우징 어셈블리(302)에 볼트식 결합 또는 고정되는 원통형 벨로우즈(332)를 구비할 수도 있다. 벨로우즈(332)는 가스가 압력 챔버(330)로 공급되던지 그렇지 않으면 제거되는지에 따라 팽창 또는 수축되는 스테인레스 강 실린더일 수도 있다. 벨로우즈(332)는 하우징 어셈블리(302)와 베이스 어셈블리(306)에 각각 볼트식 결합 그렇지 않으면 고정되는 상부 및 하부 지지체 판(334 및 336)을 구비할 수도 있다. 원통형 시일(338)은 하우징(302)의 림(310)상의 원주 그루브(312) 및 베이스 어셈블리(306)의 상향 연장되는 벽 부분(318)에서의 원주 그루브(339)에 맞추어질 수도 있다. 시일(338)은 벨로우즈(332)를 에워싸서 슬러리(250)의 부식 작용으로부터 보호한다. 하우징 어셈블리(302)가 회전될 때, 벨로우즈(332)는 토오크를 하우징 어셈블리로부터 베이스 어셈블리로 전달하여 그것이 또한 회전하도록한다. 그러나, 벨로우즈는 유연성이 있기 때문에, 베이스 어셈블리(306)는 연마 패드 표면에 실질적으로 평행하게 유지되도록 연마 패드 표면에 평행하게 축둘레로 하우징 어셈블리와 관련하여 피봇될 수 있다.

베이스 어셈블리(306)는 강성 받침 고정물 또는 판(350) 및 받침 판(350)의 밑면에 부착된 탈착가능한 모듈(352)을 구비한다. 받침판(350)은 기판(30)의 배치에 맞추어지도록 일반적으로 디스크 형태가 될 수도 있고, 그리고 알루미늄 또는 스테인레스 강과 같은 금속으로 형성될 수도 있다. 모듈(352)은 강성 지지체 고정물 또는 컵(354), 정합 층(308), 환형 실드 링(360), 및 환형 보유 링(362)을 구비한다. 각각의 이들 부품은 다음에 더 상세히 기술하였다.

모듈(352)은 볼트, 스크류, 키이 및 키이 슬롯 조합물, 진공 척 또는 자석과 같은 다양한 부착 기구에 의해 받침 판(350)에 제거가능하게 부착될 수도 있다. 이에 따라, 모듈(352)은 그것이 손상되거나 또는 마모된다면 탈착되어 대체될 수 있다. 나아가, 그것은 연마 파라메터를 변경하기 위해 대체될 수도 있다. 예를 들어, 다른 모듈이 다른 경도 크기를 갖는 정합 층과 결합될 수도 있다. 다른 모듈은 또한 다른 보유 링 폭 및 보유 링 높이를 갖출 수도 있다. 보유 링의 높이와 폭은 기판의 에지와 인접해서 연마 속도에 영향을 미친다. 이들 모듈 특징은 최적의 연마 성능을 제공하도록 선택될 수 있다.

컵(354)은 알루미늄 또는 스테인레스 강으로 형성될 수도 있고, 그리고 리세스를 에워싸도록 하향되어 돌출되는 외부 립 또는 림(356)을 갖출 수도 있다. 정합 층(308)은 정합 층의 바닥 표면이 실질적으로 림(356)의 바닥 표면과 동일 평면에 있도록 리세스내에 배치된다. 이들 리세스는 대략적으로 1/8 내지 1/4인치(3.175 내지 6.35mm) 깊이일 수도 있다.

정합 층(308)은 실질적으로 균일한 밀도를 갖춘 점탄성을 갖춘 재료로 제조된다. 가해진 하중이 제거될 때, 정합 층(308)은 탄성이 있어서, 예컨대, 이것은 그것의 원래 형태로 복귀될 것이다. 정합 층(308)은 약간의 압축성이 있다. 나아가, 정합 층(308)은 정상적인 응력 변형이 이루어져서, 예컨대, 가해진 하중에 정상적인 방향으로 그것의 매스를 재분포시킬 것이다. 정합 층의 경도 크기는 주위깊게 선택될 수도 있다. 경도 크기가 매우 낮다면 재료에는 탄성이 부족할 것이다. 반면에, 경도 크기가 매우 높다면, 재료는 정상적인 응력 변형이 이루어질 것이다. 정합 층(308)은 쇼어 경도가 대략 15 내지 25 사이인 경도 크기를 갖출 수도 있다. 바람직하게는, 정합 층(308)은 쇼어 경도가 21인 경도 크기를 갖출 수도 있다. 정합 재료는 그것이 컵(354)의 벽에 부착되도록 점착 표면을 갖출 수도 있다. 나아가, 이것은 열에 대한 내성이 있고, 그리고 연마 공정과 관련하여 화학적으로 비활성이어야 한다. 적절한 정합 재료는 팬실베니아, 제리에노팔(Zelionopal)의 피츠버그 플라스틱에서 시판되는 우레탄 재료이다. 모듈(352)은 액체 우레탄을 컵(354)에 부어서 그것을 층(309)을 형성하도록 경화시켜서 제조될 수도 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 정합 층(308)은 기판이 연마 패드의 표면에서의 변경을 조정하도록 시프팅 또는 피봇팅하도록 한다. 정합 층(308)은 기판(10)의 배면에 맞추어지고, 그리고 하중을 하중 기구(304)로부터 기판으로 고르게 분포하도록 변형된다. 예를 들어, 기판(10)이 휘어진다면, 정합 층(308)은 휘어진 기판의 외형에 효과적으로 합치될 것이다.

저 마찰 재료의 얇은 시트(358)은 저 마찰 기판 설치 표면(364)을 제공하도록 정합 층(308)의 외부 표면에 라미네이팅될 수도 있다. 시트(358)는 쇼어 경도가 대략 83인 경도 크기를 갖춘 7밀 두께의 우레탄 필름일 수도 있다. 시트(358)는 정합 재료 층(308)이 기판(10)의 배면에 밀접하게 합치되도록 하지만 기판이 정합 재료에 부착되는 것을 방지한다. 시트(358)는 기판(10)이 정합 층(308)과 직접 접촉되는 것과 같이 고려되도록 충분히 얇다.

도 9A에 도시한 바와 같이, 이전에 예시하였던 모듈(352)은 또한 실드 링(360) 및 보유 링(362)을 구비한다. 실드 링(360)은 알루미늄 또는 스테인레스 강과 같은 강성 재료로 형성되고, 그리고 실질적으로 림(356)의 바닥 표면과 정합 층과 동일 평면을 이루도록 정합 층(308) 아래에 위치된다. 실드 링(360)은 하중이 기판(10)에 가해질 때 컵(354)의 리세스와 함께 정합 층(308)을 유지한다. 실드 링(360)은 예컨대 스크류 또는 볼트(도시되지 않았음)에 의해 림(356)에 적절하게 고정될 수도 있다.

보유 링(362)은 실드 링(360)의 원주내에 위치된 환형의 강성 링이다. 보유 링(362)은 정합 층(308)에 점착되어 직접 부착될 수도 있다. 보유 링(362)은 경질 플라스틱 또는 세라믹 재료로 형성될 수도 있다. 보유 링(362)은 이 보유 링이 연마 패드(232)의 표면의 수직 높이의 변화를 조정하도록 작은 갭 r에 의해 실드 링(360)으로부터 분리된다. 조작시, 기판(10)은 보유 링(362)에 의해 형성된 원형 리세스에 맞추어지고, 그리고 정합 층이 설치 표면(364)에 접한다. 보유 링(362) 및 기판(10)은 실질적으로 동일한 두께를 갖추어서, 보유 링(362)이 또한 연마 패드(232)와 접촉하도록 한다. 기판(10)과 연마 패드(232) 사이의 상대 속도에 의해 생성된 전단력은 기판을 캐리어 헤드(300) 아래로부터 밀어내는 경향이 있다. 보유 링(362)은 기판(10)이 베이스 어셈블리(306) 아래로부터 움직이는 것을 방지한다.

도 9B에 도시된 바와 같이, 유사 부품인 프라임된 숫자로 표시한 다른 실시예에 있어서, 하중 기구(304')는 벨로우즈 대신에 유연성 막을 구비할 수도 있다. 유연성 막(340)은 내부 및 외부 에지(342 및 344)를 갖춘, 대략 두께가 60밀인 실리콘의 환형 시트일 수도 있다. 내부 외지(342)는 내부 클램프 링(346) 및 베이스 어셈블리(306') 사이에서 클램핑되는 한편, 외부 에지(344)는 외부 클램프 링(348) 및 하우징 어셈블리(302') 사이에서 클램핑된다. 클램프 링은 압력 챔버(330')을 형성하도록 베이스 어셈블리 및 하우징 어셈블리에 유연성 막을 부착시킨다. 유연성 막(340)은 압력 챔버(330')을 가로지르는 수직 거리에 따라, 감거나 또는 감지않는 다이어프램으로서 작용한다.

하우징 어셈블리(302')는 림(310)으로부터 하향되어 돌출되는 2개의 대향 플랜지(314)를 구비한다. 각각의 플랜지(314)는 장방형 슬롯(315)을 갖출 수도 있다. 토오크 핀(316)은 각각의 장방형 슬롯(315)을 통해 연장되고, 그리고 베이스 어셈블리(306')의 받침 판(350)의 상향 연장 벽 부분(318')에서의 수용 리세스(317)내에 고정된다. 장방형 슬롯(315)의 폭은 핀이 슬롯내에서 수평으로 운동될수 없도록 토오크 핀(316)의 폭과 거의 동등하다. 구동 샤프트(274)가 하우징 어셈블리(302')를 회전시킬 때, 토오크 핀(316)은 하우징으로부터 베이스 어셈블리로 토오크를 전달한다. 장방형 슬롯(315)의 높이는 토오크 핀(316)의 높이 보다 더 커서 핀이 슬롯내에서 수직으로 운동될수 있도록 한다. 이에 따라서, 베이스 어셈블리(306')는 하우징 어셈블리(302')와 회전되어야 하지만, 그러나 이것은 하우징 어셈블리와 관련하여 수직으로 운동되는 것이 자유롭다.

상술한 바와 같이, 캐리어 헤드(300)는 하나의 연마 스테이션으로부터 다른 스테이션으로 기판을 이동시키기 위해서 연마 패드(232)로부터 기판을 상승시킬 수도 있다. 나아가, 기판은 기판을 전달 스테이션(227)(도 6에 도시)로 복귀시키도록 캐리어 헤드(300)으로부터 배출될 수도 있다. 특히, 캐리어 헤드(300)는 이후에 더 상세하게 설명하겠지만, 기판을 설치 표면(364)으로부터 또는 그곳으로 진공 척 고정 또는 배출시킬 수도 있다.

캐리어 헤드는 공기와 같은 가스가 기판을 진공 척 고정 또는 배출시키도록 베이스 어셈블리(306)로 및 그곳으로부터 유동되도록 하는 수개의 유체 라인을 구비한다. 베이스 어셈블리(306) 및 하우징 어셈블리(302)는 서로와 연관되어 수직으로 운동될 수 있기 때문에, 플랙시블 유체 도관이 받침 판(350)에서의 통로(370)에 도관(328)을 접속시키는데 사용된다. 도 9A에 도시된 바와 같이, 플랙시블 도관은 금속 밸로우즈(372)가 될 수도 있다. 금속 밸로우즈는 챔버(330)을 가로질러 거리를 조정하도록 팽창되고 그리고 수축될 수 있다. 이와 달리, 도 9B에 도시된 바와 같이, 플랙시블 유체 도관은 챔버(330')내에 위치된 플라스틱 관(374)일 수도 있다. 플라스틱 배관은 예를 들어 절반, 3/4, 전체로 휘어질 수도 있다. 베이스 어셈블리(306')가 하우징 어셈블리와 연관되어 운동될 때, 관은 챔버(330')을 가로질러 거리를 조정하도록 코일링 또는 비코일링된다.

도 11A에 도시한 바와 같이, 실행함에 있어서, 통로(370)는 컵(354)의 하나 또는 그 이상의 통로(376)에 연결된다. 그밖에도, 진공 척 통로(380)는 정합 층(308)을 통해 컵(354)내의 통로(376)로부터 설치 표면(364)으로 연장된다. 각각의 진공 척 통로(380)는 정합 층내의 간단한 홀이다. 홀은 진공이 적용될 때 그것이 파손되지 않도록 충분히 크지만, 그러나 하중이 기판에 가해질 때 그것이 파손되지 않도록 충분히 작다.

펌프(382)는 유체 라인(292), 채널(294), 도관(372), 통로(370), 통로(376), 및 진공 척 통로(380)에 의해 설치 표면(364)에 연결된다. 진공이 펌프(282)에 의해 통로(380)에 적용된다면, 기판(10)은 설치 표면(364)에 진공 척 고정될 것이다. 공기가 펌프(282)에 의해 통로(380)에 힘이 가해진다면, 기판(10)은 설치 표면(364)으로부터 배출될 것이다.

도 11B에 도시된 바와 같이, 기판이 연마 패드(232)에 대해 위치되고 그리고 하중이 가해질 때 정합 층(308)은 압축될 것이고, 그리고 진공 척 통로(380)는 파손될 것이다. 이에 따라, 통로는 기판의 배면을 가로지르는 하중의 분포에 크게 영향을 미치지 않는다. 하중이 제거될 때, 정합 층(308)은 그것의 정상 상태로 복귀될것이고, 그리고 진공 척 통로(380)는 재개방될 것이다. 각각의 진공 통로(380)는 지름이 대략적으로 1/8 내지 1/4인치(3.175 내지 6.35mm)이어야 한다.

도 12A 및 12B에 도시된 바와 같이, 다른 실행 방법에 있어서, 기판(10)은 진공 포켓을 형성함에 의해 캐리어 헤드(300)에 진공 척 고정된다. 12A에 도시된 바와 같이, 모듈(352)은 수직 운동가능한 디스크(390)를 구비할 수도 있다. 정합 층(308)은 디스크(390)에 점착되어 부착될 수도 있다. 디스크(390)는 기판의 지름 보다 작은 지름을 갖추고 있으며, 그리고 이것은 공기 실린더(392)의 작용 기구에 연결될 수도 있다. 공기 실린더(392)는 컵 부분(354)내에 위치될 수도 있고, 그리고 공기 실린더(392)는 펌프(382)에 의해 동력이 가해질 수도 있다. 펌프는 플랙시블 도관, 통로(370), 및 통로(376)에 의해 공기 실린더에 연결된다. 공기 실린더(392)의 작용 기구는 디스크가 컵(354)의 베이스(378)의 바닥 표면(394)와 동일 평면에 있는 제 1 위치(도 12A 참조)와 기판으로부터 떨어져서 상향되어 끌리어지는 제 2 위치 사이에서 디스크(390)를 운동시킬 수도 있다. 제 2 위치에 있어서, 디스크 아래의 정합 층(308)의 부분은 상향되어 당겨질 것이다. 정합 층(308)의 에지가 기판(10)과 접촉되어 유지되므로, 정합 층(308)의 중앙이 기판(10)의 중앙으로부터 떨어지도록 끌려져서, 진공 포켓(398)이 기판과 정합 층 사이에서 형성된다. 진공 포켓은 캐리어 헤드에 기판을 진공 척 고정시킨다.

본 발명에 따른 정합 층은 주니가(Zuniga)등의 1996년 4월 24일자로 출원된 화학 기계 연마 장치용 캐리어 헤드 디자인이란 명칭의 08/637,208호에 상세히 설명되어 있으며, 이건은 본원에 참조되며, 본원의 출원인에게 양도된 것과 같은 다양한 다른 캐리어 헤드 디자인과 결합될 수도 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 이러한 캐리어 헤드(400)는 하우징 어셈블리(402), 베이스 어셈블리(404), 및 보유 링 어셈블리(406)를 구비한다. 상술한 바와 같은, 정합 층의 복합물 및 구조물과 유사한 정합 층(408)은 기판 설치 표면(410)을 제공하도록 베이스 어셈블리(404)의 표면(418)에 점착 또는 부착될 수도 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 기초로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이 실시예에 의해 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.

본 발명의 화학 기계적 연마 장치는 기판에 균일한 하중을 제공하여 연마 조작을 균일하게 하고, 높은 수율을 달성한다.

Claims (22)

1. 화학 기계 연마 장치에서 연마 표면상에 기판을 위치시키는 캐리어로서,

   하우징과, 그리고

   기판용 설치 표면을 제공하는 정합 재료의 층을 유지하도록 하우징에 연결된 격실 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 캐리어.
2. 제 1항에 있어서, 상기 격실 어셈블리가 밀폐 용적을 형성하는 유연성 막을 구비하고, 상기 정합 재료가 상기 밀폐 용적내에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
3. 제 2항에 있어서, 상기 유연성 막이 받침 부재에 부착되고, 그리고 플랙시블 연결기가 상기 받침 부재를 상기 하우징에 연결시키는 것을 특징으로 하는 캐리어.
4. 제 3항에 있어서, 상기 플랙시블 연결기가 상기 하우징과 상기 받침 부재 사이에서 압력 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 캐리어.
5. 제 2항에 있어서, 상기 유연성 막이 제 1 밀폐 용적을 형성하는 제 1 유연성 막 부분과 제 2 밀폐 용적을 형성하는 제 2 유연성 막 부분을 구비하고, 그리고 상기 정합 재료가 제 1 밀폐 용적내에 배치된 제 1 점도를 갖는 제 1 정합 재료와 제 2 밀폐 용적내에 배치된 제 2 점도를 갖는 제 2 정합 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 캐리어.
6. 제 1항에 있어서, 상기 정합 재료가 점탄성을 갖춘 재료인 것을 특징으로 하는 캐리어.
7. 제 6항에 있어서, 상기 정합 재료가 실리콘 및 젤라틴으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
8. 제 6항에 있어서, 상기 정합 재료가 가해진 하중에 응답하여 탄성 및 정상 응력 변형을 제공하도록 선택된 경도 크기를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 캐리어.
9. 제 8항에 있어서, 상기 정합 재료가 25 내지 35 사이의 경도 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어.
10. 제 9항에 있어서, 상기 정합 재료가 순수 우레탄인 것을 특징으로 하는 캐리어.
11. 제 1항에 있어서, 상기 격실 어셈블리가 리세스를 갖춘 베이스 부재를 구비하고, 그리고 상기 정합 재료의 층이 상기 설치 표면을 제공하도록 리세스내에 배치되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
12. 제 11항에 있어서, 상기 베이스 부재가 상기 캐리어 헤드에 탈착가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
13. 제 11항에 있어서, 상기 설치 표면에 연결된 보유 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어.
14. 제 13항에 있어서, 상기 보유 링이 기판과 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어.
15. 제 14항에 있어서, 상기 베이스 부재에 연결된 실드를 더 포함하고, 그리고 상기 보유 링을 에워싸도록 상기 정합 재료 층의 일부분 위로 돌출되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
16. 제 15항에 있어서, 상기 실드가 상기 보유 링보다 더 얇은 것을 특징으로 하는 캐리어.
17. 제 11항에 있어서, 상기 베이스 부재에 연결된 실드 링을 더 포함하고, 그리고 상기 정합 재료 층의 일부분 위로 돌출되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
18. 제 17항에 있어서, 상기 실드는 상기 정합 재료가 기판이 연마 패드에 대해 압축될 때 압출되는 것을 방지하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
19. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 상기 설치 표면에 부착하도록 하는 척 고정 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어.
20. 제 19항에 있어서, 상기 척 고정 기구는 상기 정합 재료의 층을 통해 상기 설치 표면에 형성된 통로를 구비하고, 그리고 상기 기판이 상기 설치 표면에 흡입되게 하기 위해 펌프가 상기 통로에 연결되는 것을 특징으로 하는 캐리어.
21. 제 20항에 있어서, 상기 통로는 상기 펌프가 통로에 흡입력을 가할 경우, 이 통로가 파손되지 않도록 하는 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어.
22. 제 21항에 있어서, 상기 척 고정 기구가 기판이 상기 설치 표면에 흡입되도록 하기 위해 상기 정합 재료의 층과 기판 사이에서 포켓을 구비하는 것을 특징으로 하는 캐리어.