KR19990007662A

KR19990007662A - 씨엠피용 웨이퍼 홀더 장치

Info

Publication number: KR19990007662A
Application number: KR1019980043543A
Authority: KR
Inventors: 김창규
Original assignee: 김창규
Priority date: 1998-10-17
Filing date: 1998-10-17
Publication date: 1999-01-25
Also published as: KR100336798B1

Abstract

본 발명은 반도체 연마 장치의 웨이퍼 홀더에 관한 것으로, 웨이퍼 홀더는 웨이퍼를 부착 그리고 탈착 할 수 있으며, 연마 공정시 웨이퍼 뒷면에 압력(Back pressure)을 인가하여 연마 균일도(Uniformity)를 향상시키기 위한 장치이다. 본 발명의 웨이퍼 홀딩 장치(Substrate holding apparatus)는 회전 전달 축과 원판형 홀딩 헤드(Holding Head)와 백킹 필름(Backing film / Carrier film) 지지 장치와 백킹 필름(Backing film) 그리고 웨이퍼 이탈 방지장치인 리태인 링(Retain ring)으로 구성된다. 백킹 필름(Baking film)은 일 방향 열림(Open)장치 즉, One-way Valve를 부착하여, 공기(Air) 흡입시 흡입 장치가 열려 웨이퍼(Wafer)를 부착할 수 있도록 구성되며, 공기(Air) 주입시 일 방향흡입장치(One-way valve)가 막혀(Close) 탄성체인 백킹 필름(Backing film)이 팽창하여, 웨이퍼 뒷면에서 압력(Back pressure)을 인가하도록 구성된다. 또한 백킹 필름( Backing film)은 백킹 필름(Backing film) 지지 장치와 홀딩 헤드(Holding head) 간 공기 샘(Leak)을 막도록 구성된다. 백킹 필름(Backing film) 지지 장치는 백킹 필름(Backing film)을 지지하고, 홀딩 헤드(Holding head)에 고정되도록 구성되며, 유지 보수가 용이하도록 나선형(Screw type)으로 구성된다.

Description

씨엠피용 웨이퍼 홀더 장치

본 발명은 반도체 제조 공정에 이용되는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정에 있어서 연마장치(Polisher)의 웨이퍼 홀더(Wafer holder)에 관한 것으로 특히 일 방향 흡입 장치(One-way valve)로 구성된 탄성 백킹 필름(Backing film or Carrler film)에 관한 것이다. 반도체 제조 기술의 발달로 인해 반도체 소자의 고집적화가 이루어지고 있다. 반도체장치의 고집적화를 이루기 위해 사진 공정의 DOF(Depth Of Focusing) 마진(Margin) 확보 내지 다층 배선 구조 및 배선 길이를 최소화 하기 위해 하부 막의 평탄화 기술이 요구된다. 이러한 요구에 의해 최근 하부 막을 평탄화하기 위한 방법으로 CMP 공정이 도입되고 있다. CMP 공정은 반도체 제조과정 중 전 공정에서 웨이퍼 표면에 형성된 막 즉, 하부 막을 전면(Global) 평탄화를 시키는 공정이다. 또한 도전 막에 CMP공정을 적용하여, 다마신(Damascene) 기법에 의한 콘택 매립(Contact Plug) 내지 배선을 형성 할 수도 있다.

CMP 공정은 연마포에 포획된 연마제의 화학적 그리고 물리적 성분을 이용하여 웨이퍼 표면을 연마한다. 연마 과정을 보다 자세히 설명하면, 미세 입자(Abrasive)를 포함한 화학 용액 즉, 연마제(Slurry)의 화학 용액에 의해 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응 시켜 연마가 용이하도록 하고, 연마제에 포함된 미세 입자에 의해 화학적으로 반응된 웨이퍼 표면을 연마한다. 미세 입자가 웨이퍼에 가해지는 물리적인 힘은 연마포와 웨이퍼 사이에 가해진 압력과 상대 속도 즉, 마찰력으로 정의된다.

CMP 장치는 연마포가 회전되도록 구동하는 연마포 장치, 연마포 장치의 연마포 표면에 연마하고자 하는 웨이퍼 표면이 접하도록 지지하는 웨어퍼 홀더(Holder) 및 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키고 연마하기 위한 슬러리 주입장치로 구성하여 웨이퍼 표면을 연마한다.

연마 장치에 있어서 웨이퍼 홀딩 장치(Substrate holding apparats)는 회전 전달 축과 원판형의 홀딩 헤드(Holding Head)와 백킹 필름(Backing film or Carrier film)으로 구성된다. 백킹 필름(Backing film)은 홀딩 헤드(Holding Head)와 웨이퍼 뒷면 사이에 위치하며, 웨이퍼를 부착 그리고 탈착 하는데 이용되며, 연마 공정시 웨이퍼 뒷면에 압력(Back pressure)을 인가하여 연마 균일도(Uniformity)를 향상시키기 위한 장치이다. 종래 백킹 필름은 섬유질과 같은 폴리우레탄(Poly-urethane) 또는 멤브레인(Membrane)등이 있다. 폴리우레탄(Poly- urethan)은 웨이퍼 뒷면에 인가하는 압력 즉, 백 프레셔(Back pressure) 효과가 낮아 연마 균일도(Uniformity)를 향상시키는데 한계가 있다. 멤브레인(Membrane)은 웨이퍼 부착이 용이하지 않다. 또한 종래 백킹 필름(Backing film)은 수명이 짧아 자주 교체해야 하기 때문에 공정 안정성 및 생산성(Throughput)을 저하시키고 높은 공정단가를 유발하며, 백킹 필름(Backing film)을 교환하기 위해 CMP 장치로부터 웨이퍼 홀더(Wafer holder)를 분리 해야한다.

본 발명은 웨이퍼 홀더 헤드(Wafer holder head)에 일 방향 흡입 장치(One-way valve)로 구성된 백킹 필름(Backing film)을 특징으로 한다. CMP (Chemical mechanical polishing) 공정에 있어서 웨이퍼 홀더는 웨이퍼를 부착 및 탈착이 용이 해야되며, 연마 중 웨이퍼 뒷면에서 압력(Back pressure)을 조절하여 연마 균일도(Uniformity)를 조절 할 수 있어야하며, 유지 및 보수가 용이하여야 된다. 본 발명에서 상기 목적을 달성하는 수단으로 백킹 필름(Backing film)에 일 방향 흡입 장치 즉, 원웨이 밸브(One-way valve)를 구성하였다. 본 발명의 동작을 보다 자세히 설명하면, 웨이퍼 홀더(Wafer holder)에 공기를 빼면(Vacuum) 백킹필름(Backing film)에 구성된 일 방향 흡입 장치(One-way valve)가 열려(Open) 웨이퍼를 부착하고, 웨이퍼 연마 중 홀더(Wafer holder)에 공기를 주입하면 백킹 필름(Backing film)에 구성된 일 방향 흡입 장치(One-way valve)가 닫혀(Close) 백킹 필름(Backing film)이 팽창하도록 구성되어 연마 균일도(Uniformity)를 향상시킬 수 있다. 또한 백킹 필름(Backing film)의 교체가 용이하도록 백킹 필름(Backing film)지지 장치와 홀딩 헤드(Holding head)를 나선(Screw)형 또는 삽입형 또는 클램프(Clamp)형으로 구성된다. 연마 도중 웨이퍼 이탈을 방지하도록 웨이퍼 외부에 리테인 링(Retain ring) 설치된다. 리테인 링(Retain ring)은 홀딩 헤드(Holding head)에 고정시키는 방법과 또는 홀딩 헤드(Holding head)와 리테인 링(Retam rmg) 사이 가압 장치를 이용한 방법으로 구성된다.

도 1은 고정 리태인 링(Retain ring)으로 구성된 웨이퍼 홀더(holder) 장치의 정면도

도 2는 공기(Air) 주입시 백킹 필름이 팽창된 웨이퍼 홀더(Holder) 장치의 정면도

도 3은 도 1의 17 부분 확대도 ; 백킹 필름 지지 장치와 홀딩 헤드 연결 장치

도 4는 백킹 필름에 장착된 일 방향 흡입 장치의 정면도(도 1의 18 부분 확대도)

도 5는 이중 막으로 구성된 일 방향 흡입 장치와 백킹 필름의 평면도 및 정면도

도 6은 유동 리태인 링(Retain ring)으로 구성된 웨이퍼 홀더(holder) 장치의 정면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

10, 20, 30, 60 : 홀딩 헤드(Holding head)

10a, 20a, 30a : 공기 홀(Air hole)

11, 21, 31, 61 : 백킹 필름(Backing film 또는 Carrier film)지지 장치

12, 22, 32, 42, 52, 62 : 백킹 필름(Backing film 또는 Carrier film)

13, 23, 63 : 리테인 링 (Retain ring)

64 : 에어 실린더(Air cylinder)

15, 25, 65 : 웨이퍼(Wafer)

16, 26, 66 ; 회전축 연결 오링(O-ring) 홈

47, 57 : 배큠 홀(Vacuum hole)

18, 28, 48, 68 : 일 방향 흡입 벨브(One-way valve)

59 : 탄성 판

본 발명을 첨부 도면을 이용하여 한 예로써 설명하면 다음과 같다. 도 1은 븐 발명에 의한 웨이퍼 홀더(Wafer holdeb 장치의 정면도이다. 본 발명은 홀딩헤드(10)과 백킹 필름(Backing film)지지 장치(11)와 백킹 필름(12 ; Backing film)과 일 방향 흡입 장치(18)와 리태인 링(13 ; Retain ring)과 회전축 고정 장치(16)로 구성된다. 백킹 필름(12)은 백킹 필름 지지대(11)와 웨이퍼(15) 뒷면 사이에 위치하고, 백킹 필름(Backing film) 지지대 수(11)는 홀딩 헤드(10)에 고정되고, 공기가 새(Leak)지 않도록 탄성체인 백킹 필름(Backing film)이 삽입된다. 따라서 백킹 필름(Backmg film)은 백킹 필름(Backing film) 지지대(11)와 홀딩 헤드(10) 사이에 고정된다. 백킹 필름(Backing film) 고정(17) 방법은 백킹 필름(Backing film)교환 및 유지 보수를 용이하게 하기 위해 나사(Screw), 압착 또는 클램프(Clamp)방법으로 구성된다. 홀딩 헤드(10 ; Holding head)는 공기를 주입 또는 흡입 할 수 있도록 홀(20a ; Hole)이 형성되어 있으며, 회전축(본 발명에서 생략하였음)에서 전달되는 공기가 새(Leak)지 않도록 오링(16 ; O-ring)이 장착되어 있다. 웨이퍼 홀더(Wafer holder)에서 공기를 빼면 백킹 필름(12 ; Backing film)에 장착된 일 방향 흡입 장치(18 ; One-way valve)가 열려 웨이퍼를 부착한다. 백킹 필름(12 ; Backing film)의 재질은 탄성 계수가 큰 물질로 고무, 폴리머(Polymer) 등이 바람직하며, 홀딩 헤드(10)은 견고하고 내성이 강한 스텐레스(Stainless) 등이 바람직하며, 백킹 필름 지지대(11)는 PVC, 테프론, 스텐레스(Stainless)등이 바람직하며, 리테인 링(13)은 PVC, 테프론등이 바람직하다.

도 2는 웨이퍼 홀더(Wafer holder)에 공기를 주입하여 백킹 필름(28 ; Backing film)이 팽창한 도면이다. 홀딩 헤드의 홀(20a)로 공기를 주입하면 흡입 장치(28 ; One-way valve)가 닫혀(Close) 백킹 필름(22 ; Backing film)이 팽창된다. 웨이퍼 홀더에 주입되는 공기 압력을 조절하면 연마 균일도(Uniformity)를 향상시킬 수 있다. 반대로 공기를 흡입하면 백킹 필름(Backing film)이 수축되고 일 방향 흡입 장치(28 ; One-way valve)가 열려 웨이퍼를 부착하도록 구성된다.

도 3는 도 1의 17의 확대 정면도로 웨이퍼 홀딩 헤드(30)와 백킹 필름(32)와 백킹 필름 지지대(31)로 구성된다. 본 발명에서는 홀딩 헤드(30)와 백킹 필름 지지대(31)을 고정하는데 있어서 백킹 필름(32)의 교환 및 유지 보수를 용이하게 하기 위해, 나사(Screw) 방법을 이용하였으나, 클램프(Clamp) 또는 압착 방법으로 고정할 수 있다. 본 발명에서 홀딩 헤드(30)와 백킹 필름 지지대(31)사이에 백킹 필름(Backing film)을 삽입하여 백킹 필름(32 ; Backing film)고정하고, 홀딩 헤드(30)와 백킹 필름지지대(31) 사이에 공기가 새(Leak)는 것을 차단한다.

도 4은 도면 1의 18을 확대 정면도로, 백킹 필름(42 ; Backing film)과 일 방향 흡입 밸브(48 ; One-way valve) 구성된다. 홀딩 헤드의 홀에서 공기를 흡입하면 일 방향 밸브(48)이 열려(Open) 1㎜ 정도 되는 에어 홀(47 ; Air hole)로 공기가 흡입된다. 상기와 같이 본 발명은 백킹 필름(42 ; Backing film)에 부착된 (48 ; One-way valve)을 이용하여 웨이퍼를 부착하는 것을 특징으로 한다.

도 5는 또 다른 일 방향 흡입 장치를 가진 백킹 필름(Backing film)의 평면도(도 5a)와 정면도(도 5b) 이다. 소정의 에어 홀(57)이 형성되어 있는 백킹 필름(52)에 백킹 필름(52) 보다 탄성이 우수한 막(59) 즉, 이중 막으로 구성된 일 방향 흡입 백킹 필름이다. 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면, 에어 홀(47) 주위는 탄성막(59)을 접착하지 않고 소정의 틈새를 만들고 그 외 부분은 접착한다. 상기와 같이 웨이퍼 홀더에 공기를 흡입하면 탄성막(59)이 들떠 틈새가 확장되고 웨이퍼를 부착 할 수 있다. 공기를 주입하면 탄성막(59) 에어 홀(57 ; Air hole)을 막아 백킹 필름이 팽창 되어 연마 균일도(Uniformity)를 향상시키는 것을 특징으로 구성된다.

도 6은 압력 유동 리테인 링(Retain ring)으로 구성된 웨이퍼 홀딩 장치의 정면도이다. 본 발명은 홀딩 헤드(60)과 백킹 필름(Backing film 또는 Carrier film) 지지대(61)와 백킹 필름(62)과 일 방향 흡입 장치(68)와 리태인 링(63 ; Retain ring)과 회전축 고정 장치(66)와 압력 가변 장치(64)로 구성된다. 백킹 필름(62)은 백킹 필름 지지대(61)와 웨퍼(65) 뒷면 사이에 위치하고, 백킹 필름 지지대(61)와 홀딩 헤드(60) 사이에 위치하여 공기가 새지 않도록 구성된다. 백킹 필름 지지대(61)는 홀딩 헤드에 고정되고, 고정 방법은 나사(Screw), 압착 또는 클램프(Clamp)방법으로 고정 할 수 있다. 리테인 링(63 ; Retam ring)은 연마 공정 중 웨이퍼 이탈을 방지하며, 리테인 링의 높이와 넓이는 웨이퍼 가장자리의 연마 특성에 영향을 미친다. 본 발명은 가압 장치(64)로 리테인 링(63 ; Retain ring)에 소정의 압력을 인가하도록 구성하고, 또한 리테인 링이 빠지지 않도록 백킹 필름(62)의 가장자리가 리테인 링 상단 내부 보다 크게 구성한다. 가압 장치(64)는 기압, 수압, 전자력 등을 이용 할 수 있으나 기압을 이용하는것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 일 방향 흡입 장치로 이루어진 탄성 막의 백킹필름으로 구성된 연마용 웨이퍼 홀더이다. 본 발명은 8 인치 이상의 대 구경 웨이퍼의 연마공정에 있어서 웨이퍼 부착이 용이하고, 연마 균일도(Uniformity)를 향상시켜 공정 안정성을 확보 할 수 있으며, 사용 주기를 늘림으로서 설비 다운(Down)을 줄여 반도체 소자의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다. 또한 연마 설비로부터 웨이퍼 홀더를 분리하지 않고 백킹 필름을 조립할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Claims

웨이퍼를 연마하는 장치에 있어서,

일 방향 흡입 장치로 구성된 백킹 필름(Backing film)과 ; 웨이퍼 부착 및 탈착 또는 연마공정 시 압력을 조절하는 장치

백킹 필름 지지 장치와 홀딩헤드(Holding head) 그리고 리태인 링(Retain ring) ; 연마중 웨이퍼 이탈 방지 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(wafer holder)
제 1 항에 있어서,

상기 일 방향 흡입 장치는 소정의 홀(Hole)이 형성된 백킹 필름(Backing film)에 원 웨이 밸브(One-way valve)를 장착하거나 또는 이중 탄성 막으로 구성된 일 방향 흡입 백킹 필름(Backing film)을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(Wafer holder) 장치
제 1 항에 있어서,

상기 탄성 백킹 필름(Backing film)으로 홀딩 헤드(Holding head)와 백킹 필름(Backing film) 지지대 사이의 공기 샘(Leak)을 막는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(Wafer holder)장치
제 1 항에 있어서,

상기 홀딩 헤드(Holding head)와 백킹 필름(Backing film) 지지대를 나선(Screw)형, 삽입형 또는 클램프(Clamp) 형으로 구성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(Wafer holder) 장치
제 1 항에 있어서,

상기 리태인 링(Retain ring)은 고정형 또는 유동형으로 구성하고, 유동형은 기압, 유압, 전자력을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(Wafer holder) 장치
제 1 항에 있어서,

백킹 필름(Backing film)의 재질은 탄성 계수가 큰 물질로 고무, 폴리머(Polymer) 등을 특징으로 하는 웨이퍼 홀더(Wafer holder) 장치