KR19990030719A - 씨엠피 장비의 폴리싱 헤드용 리테이너 링 - Google Patents

Abstract

여기서는, CMP(chemical-mechanical polish) 장비의 폴리싱 헤드에서 사용되는 그리고 CMP 공정 동안에 웨이퍼의 표면 상에 현탁액(slurry)을 균일하게 공급할 수 있는 리테이너 링(retainer ring)이 개시된다. 이 리테이너 링은 폴리싱 테이블과, 이 폴리싱 테이블 상에 층을 형성하고 있는 폴리싱 패드와, 리테이너 링에 의해 정해진 위치에 놓여 있는 반도체 웨이퍼를 수용하는 폴리싱 헤드 및, 웨이퍼로 일정량의 현탁액을 공급하는 수단을 갖는 타입의 CMP 장비에서 사용되도록 설계되어 있다. 폴리싱 헤드는 CMP 공정 동안에 웨이퍼를 고정시키는 데 사용되는 웨이퍼 로더로 공기압을 가할 수 있는 공기 압축 수단을 구비하는 타입이다. 리테이너 링은 그것의 주위에 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지하는 복수 개의 직선형의 홈들을 갖도록 형성되고 상기 직선형의 홈들 각각은 상기 리테이너 링이 회전할 때 상기 리테이너 링의 외측 상의 상기 현탁액에 예각으로 충격을 가하도록 방사상으로 경사져 있다. 또, 이 리테이너 링은, 상기한 복수 개의 복수 개의 직선형의 홈들 이외에, 상기 리테이너 링의 외측과 내측 사이에서 상기 직선형의 홈들 모두와 서로 교차하는 적어도 하나의 원형의 홈을 갖도록 형성될 수도 있다. 상기 직선형의 홈들은 모든 방사상의 방향들로부터 리테이너 링의 내측으로 현탁액이 빨려 들어가도록 함으로써 상기 리테이너 링의 내측에 있는 웨이퍼 위에서 상기 현탁액이 균일하게 퍼지도록 한다.

Description

씨엠피 장비의 폴리싱 헤드용 리테이너 링(RETAINER RING FOR POLISHING HEAD OF CHEMICAL-MECHANICAL POLISH MACHINES)

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 더 구체적으로는 CMP(chemical-mechanical polish) 공정을 수행하는 동안에 반도체 웨이퍼를 정해진 위치에 수용하는 CMP 장비의 폴리싱 헤드(polishing head) 상에서 사용되는 리테이너 링의 개선된 구조에 관한 것이다.

반도체 제조에 있어서, CMP 기술은 VLSI(very large-scale integration) 및 ULSI(ultra large-scale integration) 집적 회로의 제조에 사용되는 반도체 웨이퍼의 전체적인 평탄화를 위해 광범하게 사용되고 있다.

도 1a 및 1b는 종래의 CMP 장비를 보여주는 개략도이다. 상기 종래의 CMP 장비는 폴리싱 테이블(10)과, 이 테이블(10) 상에 층을 형성하고 있는 폴리싱 패드(12), 반도체 웨이퍼(16)를 정해진 위치에 수용하는 폴리싱 헤드(14), 그리고 상기 CMP 공정 동안에 반도체 웨이퍼로 일정량의 현탁액(懸濁液)을 공급하기 위한 노즐(nozzle)(18)을 구비하고 있다.

도 1c는 폴리싱 패드(14)의 상세한 내부 구조를 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 폴리싱 헤드(14)는 상기 CMP 공정 동안에 웨이퍼(16)를 수용하는 웨이퍼 로더(wafer loader)(22)로 공기압을 가할 수 있는 공기 압축 수단(20)을 구비하고 있다. 나아가, CMP 공정 동안에 정해진 위치에 웨이퍼(16)가 놓여 있도록 하는 리테이너 링(24)이 로더(22)와 웨이퍼(16) 주위에 설치되어 있다. 더 나아가, 웨이퍼(16)와 로더(22) 사이에는 큐션 패드(cushion pad)(도시되지 않음)가 위치한다.

도 2a 및 2b는 종래의 리테이너 링(24)의 구조를 보여주고 있다. 하지만, 도 2a 및 2b의 리테이너 링 구조를 사용하면, 그것을 통해 폴리싱 헤드(14)로 공급되는 현탁액이 웨이퍼의 표면 상에서 불균일하게 분포하게 됨으로써, 웨이퍼 가장자리에서 그것이 미치지 못하는 범위가 크고, 폐물(refuse)의 제거율이 낮아지며, 현탁액의 사용이 비효율적이고, 그리고 큐션 패드의 사용 수명이 짧아지는 문제점들이 발생한다. 도 2a 및 2b의 리테이너 링를 사용한 CMP 공정 처리 결과에 따른 웨이퍼의 표면 편평도가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 웨이퍼의 회전 중심(spinning center)을 지나는 직선 상의 여러 점들에서의 웨이퍼 두께를 보여주고 있다. 도 3를 보면, 웨이퍼의 편평도(flatness)가 대단히 불량함을 알 수 있다. 웨이퍼 두께의 표준 편차(standard deviation)가 대략 5.06%나 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 CMP 장비의 폴리싱 헤드에서 사용되는 새로운 리테이너 링을 제공하는 것으로, CMP 공정 동안에 CMP 장비의 폴리싱 헤드에 의해 연마되는 웨이퍼의 표면 상에 현탁액이 균일하게 분포하도록 하는 리테이너 링을 제공하는 것이다.

도 1a는 반도체 웨이퍼 상에 CMP 공정을 수행하는 CMP 장비의 개략적 평면도;

도 1b는 도 1a의 CMP 장비의 개략적 단면도;

도 1c는 도 1a 및 1b의 CMP 장비 상에서 사용되는 폴리싱 헤드의 상세한 내부 구조를 보여주는 단면도;

도 2a는 도 1c의 폴리싱 헤드 상에서 사용되는 종래의 리테이너 링의 개략적 평면도;

도 2b는 도 2a의 종래의 리테이너 링의 개략적 배면도;

도 3은 도 2a 및 2b의 종래의 리테이너 링을 사용한 CMP 공정 처리 결과에 따른 반도체 웨이퍼의 편평도를 보여주는 그래프;

도 4a는 본 발명에 따른 리테이너 링의 제 1의 바람직한 실시예를 보여주는 개략적 평면도;

도 4b는 도 4a의 리테이너 링의 개략적 배면도;

도 5a는 본 발명에 따른 리테이너 링의 제 2의 바람직한 실시예를 보여주는 개략적 평면도;

도 5b는 도 5a의 리테이너 링의 개략적 배면도;

도 6은 도 4a 및 4b의 리테이너 링을 사용한 CMP 공정 처리 결과에 따른 반도체 웨이퍼의 편평도를 보여주는 그래프; 그리고

도 7은 도 4a 및 4b의 리테이너 링을 사용한 CMP 공정 처리 결과에 따른 반도체 웨이퍼의 편평도를 보여주는 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

40, 50 : 레테이너 링 42, 52, 54 : 홈

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들을 위해, 본 발명은 CMP 장비의 폴리싱 헤드에서 사용되는 새로운 리테이너 링을 제공한다. 본 발명의 리테이너 링은 폴리싱 테이블과, 상기 폴리싱 테이블 상에 층을 형성하고 있는 폴리싱 패드와, 상기 리테이너 링에 의해 정해진 위치에 놓여 있는 반도체 웨이퍼를 수용하는 폴리싱 헤드 및, 상기 웨이퍼로 일정량의 현탁액을 공급하는 수단을 갖는 타입의 CMP 장비에서 사용되도록 설계되어 있다. 상기 폴리싱 헤드는 CMP 공정 동안에 웨이퍼를 고정시키는 데 사용되는 웨이퍼 로더로 공기압을 가할 수 있는 공기 압축 수단을 구비하는 타입이다.

본 발명의 제 1의 바람직한 실시예에 따른 리테이너 링은 그것의 주위에 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지하는 복수 개의 직선형의 홈들(straight grooves)을 갖도록 형성되고 상기 직선형의 홈들 각각은 상기 리테이너 링이 회전할 때 상기 리테이너 링의 외측 상의 상기 현탁액에 예각(銳角)으로 충격을 가하도록 방사상(放射狀)으로 경사져 있다.

본 발명의 제 2의 바람직한 실시예에 따른 리테이너 링은, 상기한 복수 개의 복수 개의 직선형의 홈들 이외에, 상기 리테이너 링의 외측과 내측 사이에서 상기 직선형의 홈들 모두와 서로 교차하는 적어도 하나의 원형의 홈(circular groove)을 갖도록 형성된다.

이와 같이 동일한 간격으로 배열된 본 발명에 따른 직선형의 홈들은 모든 방사상의 방향들로부터 리테이너 링의 내측으로 현탁액이 빨려 들어가도록 함으로써 상기 리테이너 링의 내측에 있는 웨이퍼 위에서 상기 현탁액이 균일하게 퍼지도록 한다. 또, 원형의 홈은 상기 직선형의 홈들을 통해 빨려 들어오는 현탁액의 흐름을 부분적으로 완화시키는 기능을 하며, 상기 원형의 홈으로 현탁액이 흘러들어 가게 된다. 이렇게 흐름이 완화된 현탁액은 상기 직선형의 홈들의 내측 말단들과 가까운 웨이퍼의 가장자리 부분들로 공급된다.

따라서, 본 발명의 리테이너 링을 사용하면 앞에서 설명한 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있다.

여기서는 CMP 장비의 폴리싱 헤드 상에서 사용되는 리테이너 링의 개선된 구조를 제공한다. 본 발명의 리테이너 링은 도 1a 내지 1c에 도시된 종래의 리테이너 링을 대체하기 위한 것이다. 다음에는 도 4a 및 4b 그리고 도 5a 및 5b를 각각 참조하여 본 발명의 두 가지의 바람직한 실시예들에 대해 설명한다.

<제 1의 바람직한 실시예>

도 4a는 본 발명에 따른 리테이너 링의 제 1의 바람직한 실시예의 개략적 평면도이다. 도 4a에서, 참조 번호 40은 리테이너 링을 나타낸다. 도 4b는 상기 리테이너 링(40)의 배면도이다. 실시를 행함에 있어서, CMP 공정 동안에 반도체 웨이퍼(도시되지 않음)를 수용하는 이 실시예의 리테이너 링(40)은 예를 들면 4 내지 12 인치의 내경(內徑)을 갖도록 형성된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 리테이너 링(40)은 복수 개의 직선형의 홈들(도 4b의 경우에는 10 개의 직선형의 홈들)(42)을 갖도록 형성되되, 상기 리테이너 링(40) 주위에서 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지한다. 이들 직선형의 홈들 각각은 그것의 외측 말단(outer end)이 리테이너 링(40)의 회전 방향에 대해 일정한 각을 갖는 위치로 그것의 내측 말단(inner end)을 인도하도록 반경(radius)에 대해 일정한 각도를 유지하는 방향으로 지향한다. 이와 같은 직선형 홈들의 방향 때문에 직선형의 홈들(42)은 리테이너 링(40)의 외측 상의 현탁액에 대해 예각으로 충격을 가하게 된다. 그래서, 리테이너 링(40)이 고속으로 회전할 때 직선형의 홈들(42)을 통해 상기 리테이너 링(40)의 내측으로 현탁액이 빨려들어가게 된다. 도 4b에는, 리테이너 링(40)이 반시계 방향으로 회전하는 경우의 직선형 홈들(42)의 방향이 예시되어 있다. 실시를 행함에 있어서, 이들 각 직선형의 홈들(42)은 예컨대 0.05∼0.3mm의 폭과 2∼4mm의 깊이를 갖도록 형성된다. 상기 직선형의 홈들(42)은 동일한 간격을 두고서 배열되기 때문에 모든 방사상의 방향들에서 리테이너 링(40)의 내측으로 현탁액들이 빨려들어갈 수 있다. 그 결과, 현탁액이 리테이너 링(40) 내에 수용되어 있는 웨이퍼(도시되지 않음) 위에서 균일하게 퍼진다.

도 6 및 도7에는 도 4a 및 4b의 리테이너 링을 사용한 CMP 공정의 처리 결과에 따른 웨이퍼의 평탄도가 도시되어 있다. 상기 평탄도는 웨이퍼의 중심을 지나는 직선 상의 두께 값으로 측정한 것이다. 도 6 및 도 7을 보면, 도 2a 및 2b의 종래 기술의 리테이너 링을 사용해서 얻어진 도 3에 도시된 웨이퍼 평탄도에 비해 대단히 양호함을 알 수 있다. 도 6의 경우에는 두께의 표준 편차가 0.92%이고 도 7의 경우에는 1.38%이다. 이들 모두는 도 3의 경우의 표준 편차 5.06%에 비해 대단히 양호한 것이다. 또, 도 7에 도시된 바와 같이, 직선형의 홈들(42)의 내측 말단들에 인접한 웨이퍼의 가장자리 부분들로는 상기 웨이퍼의 다른 부분들보다 가장 많은 양의 현탁액이 공급되기 때문에, 그곳의 두께가 웨이퍼의 다른 부분들의 두께보다 상당히 얇다.

<제 2의 바람직한 실시예>

도 5a는 본 발명에 따른 리테이너 링의 제 2의 바람직한 실시예의 개략적 평면도이다. 도 5a에서, 참조 번호 50은 리테이너 링을 나타낸다. 도 5b는 상기 리테이너 링(50)의 배면도이다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 리테이너 링(50)은 그것의 주위에서 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지하는 복수 개의 직선형의 홈들(예컨대, 10 개의 직선형의 홈들)(52)을 갖도록 형성된다는 점에 있어서 앞의 실시예와 부분적으로 동일하다. 이들 각 직선형의 홈들(52)이 지향하는 방향은 앞의 실시예에서와 유사하다. 또, 상기 각 홈들(52)은 역시 앞의 실시예에서와 유사하게 0.1mm의 폭과 2∼4mm의 깊이를 갖도록 형성된다. 이 실시예는 상기 리테이너 링의 외측과 내측 사이에 상기 직선형의 홈들(52) 모두와 서로 교차하는 적어도 하나의 원형의 홈(54)이 형성된다는 점에서 앞의 실시예와 다르다. 이 원형의 홈(54)은 상기 직선형의 홈들(52)을 통해 빨려 들어오는 현탁액의 흐름을 부분적으로 완화시키는 기능을 하며, 상기 원형의 홈(54)으로 상기 현탁액이 흘러들어가게 된다. 이렇게 흐름이 완화된 현탁액은 상기 직선형의 홈들(52)의 내측 말단들과 가까운 웨이퍼의 가장자리 부분들로 공급된다. 이로써, 상기 웨이퍼의 가장자리 부분들에서의 연마 효과는 웨이퍼의 다른 부분들에서 그것과 너무 심하게 차이나지 않게 된다. 실시를 행함에 있어서, 원형의 홈(54)은 예컨대 직선형의 홈들(52)와 유사한 규격 즉, 0.05∼0.3mm의 폭과 2∼4mm의 폭을 갖도록 형성된다.

여기서는 예시적인 바람직한 실시예들을 사용하여 본 발명을 설명하였지만, 물론, 본 발명의 범위가 개시된 실시예들에만 한정되는 것은 아니며, 오히려 본 발명의 범위에는 다양한 변형예들 및 유사한 구성들까지 포함된다. 따라서, 본 발명의 클레임의 진정한 범위는 그와 같은 모든 변형예들 및 유사한 구성들까지 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 리테이너 링이 회전할 때 방사상으로 경사져 있는 직선형의 홈들이 회전하는 리테이너 링의 외측 상의 현탁액에 예각으로 충격을 가함으로써, 웨이퍼의 가장자리 부분들로 충분한 양의 현탁액이 공급된다. 또, 상기 직선형의 홈들을 교차하도록 원형의 홈을 형성하면, 상기 직선형의 홈들을 통해 빨려 들어오는 현탁액의 흐름을 부분적으로 완화됨으로써 웨이퍼의 가장자리 부분들에서의 연마 효과는 웨이퍼의 다른 부분들에서 그것과 너무 심하게 차이나지 않는다.

Claims (10)

1. 폴리싱 테이블과, 상기 폴리싱 테이블 상에 층을 형성하고 있는 폴리싱 패드와, 리테이너 링에 의해 정해진 위치에 놓여 있는 반도체 웨이퍼를 수용하는 폴리싱 헤드 및, 상기 웨이퍼로 일정량의 현탁액을 공급하는 수단을 갖는 타입의 CMP 장비에 사용되는 상기 리테이너 링에 있어서:

   상기 리테이너 링은 그것의 주위에 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지하는 복수 개의 직선형의 홈들을 갖도록 형성되고, 상기 직선형의 홈들 각각은 상기 리테이너 링이 회전할 때 상기 리테이너 링의 외측 상의 상기 현탁액에 예각으로 충격을 가하도록 방사상으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 리테이너 링은 4∼12 인치의 내경과 6∼4 인치의 외경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 리테이너 링에는 10 개의 직선형 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 직선형 홈들 각각은 0.05∼0.3mm의 폭 및 2∼4mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
5. 폴리싱 테이블과, 상기 폴리싱 테이블 상에 층을 형성하고 있는 폴리싱 패드와, 리테이너 링에 의해 정해진 위치에 놓여 있는 반도체 웨이퍼를 수용하는 폴리싱 헤드 및, 상기 웨이퍼로 일정량의 현탁액을 공급하는 수단을 갖는 타입의 CMP 장비에 사용되는 상기 리테이너 링에 있어서:

   상기 리테이너 링은 그것의 주위에 실질적으로 동일하게 각이 진 간격을 유지하는 복수 개의 직선형의 홈들 및 상기 직선형의 홈들 모두와 서로 교차하는 적어도 하나의 원형의 홈을 갖도록 형성되고, 상기 직선형의 홈들 각각은 상기 리테이너 링이 회전할 때 상기 리테이너 링의 외측 상의 상기 현탁액에 예각으로 충격을 가하도록 방사상으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 리테이너 링은 4 인치의 내경과 6 인치의 외경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 리테이너 링에는 10 개의 직선형 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 직선형 홈들 각각은 0.1mm의 폭 및 3mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 원형의 홈은 상기 리테이너 링의 외측과 내측 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 원형의 홈은 0.05∼0.3mm의 폭 및 2∼4mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 리테이너 링.