KR20010033796A - 화학-기계적 연마 장치용 착탈식 보유 링을 갖춘 캐리어헤드 - Google Patents

화학-기계적 연마 장치용 착탈식 보유 링을 갖춘 캐리어헤드 Download PDF

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KR20010033796A
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훙 첸
스티븐 엠. 쥬니가
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

기판 적재 도중 기판을 중심 맞춤하는데 사용될 수 있는 착탈식 보유 링을 포함하는 화학-기계적 연마장치용 캐리어 헤드이다.

Description

화학-기계적 연마 장치용 착탈식 보유 링을 갖춘 캐리어 헤드{A CARRIER HEAD WITH A REMOVABLE RETAINING RING FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARTUS}
집적 회로는 통상적으로 기판, 특히 실리콘 웨이퍼상에 전도성, 반전도성 또는 절연성의 층을 연속적으로 증착함으로써 형성된다. 각각의 층이 증착된 다음, 상기 층이 통상적으로 엣칭되어 회로 형태를 형성한다. 일련의 층이 연속적으로 증착 및 엣칭됨에 따라, 외측의 최상부 기판표면, 즉, 기판의 노출표면이 점차적으로 비평면화된다. 이러한 비평면화된 표면은 집적회로 제조공정 중 석판술적 단계(photolithographic step)에 있어서 문제를 초래한다. 따라서, 주기적으로 기판표면을 평면화(planarize)시킬 필요가 있다.
화학기계적 연마(CMP)도 평면화에 있어 일반적으로 인정된 한가지 방법이다. 이 평면화 방법은 통상적으로 기판이 캐리어 또는 연마 헤드 상에 설치될 것을 요한다. 기판의 노출표면은 회전하는 연마 헤드에 맞대어 배치된다. 연마 헤드는 "표준" 패드이거나 고정형 마모성 패드일 수 있다. 표준 패드가 내구적인 거칠은 표면을 갖는 반면, 고정형 마모성 패드는 봉쇄된 매질내에 갇혀진 마모성 입자를 갖는다. 캐리어 헤드는 기판 상에 제어 가능한 부하, 즉, 압력을 제공하여 이를 연마 헤드에 대해 밀어준다. 만약 표준 패드가 사용되면, 적어도 하나의 화학적으로 반응성있는 약품, 및 마모성 입자를 포함하는 연마 슬러리가 연마 패드의 표면에 공급된다.
캐리어 헤드는 일반적으로 보유 링을 포함한다. 보유 링은 기판의 주위에 위치하여 연마도중에 기판이 캐리어 헤드 저면의 리세스내에 보유되도록 한다. 보유 링은 캐리어 헤드에 직접 부착되거나, 가요성 막(flexible membrane)이나 벨로우즈 등의 가용성 연결구에 의해 캐리어 헤드에 연결될 수 있다.
연마를 수행하기 위해, 캐리어 헤드내에 기판이 적재되고, 캐리어 헤드에 의해 연마 패드에 맞대어 배치된다. 상기 적재 과정은 통상적으로, 보유 링에 의해 형성된 상기 리세스에 기판을 정렬시키는 중심 맞춤 장치를 포함하는 전달 스테이션에서 이루어진다.
CMP내에서 발생되는 한가지 문제점은, 일부의 캐리어 헤드 설계에서, 보유 링이 연마 패드 표면 위로 위치하는 지점에 대해 피봇이 자유롭다는 것이다. 피봇 운동은 보유 링의 한쪽을 상승시키고 다른쪽을 하강시킨다. 이것은 연마 패드상에 고르지 못한 압력 분포를 생성하여 연마의 균일성을 감소시킨다.
다른 문제점은 보유 링이 주기적으로 대체되어야 한다는 점이다. 그러나, 캐리어 헤드의 완전한 분해가 요구되어, 보유 링을 대체시키기 까다롭다.
본 발명은 일반적으로는 기판의 화학-기계적 연마에 관한 것이고, 보다 상세하게는 화학-기계적 연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다.
도 1은 화학-기계적 연마 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 상부 하우징이 제거된 상태의 카로셀(carousel)의 개략적인 평면도이다.
도 3은 일부는, 도 2의 3-3선에 따른 카로셀의 단면도이고, 일부는, 화학-기계적 연마 장치에 의해 사용되는 압력 조절기의 개략적 다이어그램이다.
도 4는 캐리어 헤드의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 4의 캐리어 헤드의 일부 확대도이다.
도 6a 내지 6e는 도 4의 캐리어 헤드 내로 기판을 적재하는 방법을 도시한 개략적 단면도이다.
일측면에 있어서, 본 발명은 화학-기계적 연마장치용 캐리에 해드에 관한 것이다. 캐리어 헤드는, 리세스를 갖는 하우징, 기판 수용면, 및 기판 수용면을 둘러싸기 위한 리세스 내에 해제가능하게 위치시킬 수 있는 보유 링을 포함한다. 시일(seal)이 미끄럼 가능하게 보유 링과 맞물려서, 보유 링이 리세스 내에 위치할 때 하우징과 보유 링 사이에 가압 가능한(pressurizable) 챔버를 형성한다.
다른 측면에 있어서, 캐리어 헤드는, 리세스를 갖는 하우징, 기판 수용면, 및 기판 수용면을 둘러싸기 위해 리세스 내에 해제가능하게 위치시킬 수 있는 보유 링과, 보유 링이 리세스 내에 위치될 때 하우징과 보유 링 사이에 형성되는 소개 가능한(evacuable) 챔버를 포함한다. 상기 챔버내부의 압력은 보유 링이 리세스내에 유지되도록 하거나 또는 보유 링이 하우징으로부터 해제되도록 하는 것 중에서 선택될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 상기 캐리어는, 주몸체부 및 상기 주몸체부를 둘러싸는 실질적으로 고리모양의 플랜지를 포함하여 리세스를 형성하는 하우징과, 기판 수용면과, 상기 기판 수용면을 둘러싸도록 리세스 내에 위치가능하고 횡이동 가능한 보유 링과, 상기 하우징과 상기 보유 링 사이에 가압 가능한 챔버를 형성하는 시일을 포함한다. 주몸체부는 외측으로 돌출하는 고리모양 테두리를 가지고, 보유 링은 연마 도중 상기 고리모양 테두리와 접촉한다.
다른 측면에서 보면, 상기 캐리어 헤드는, 리세스, 기판 수용면, 및 상기 기판 수용면을 둘러싸기 위한 리세스 내에 위치시킬 수 있는 해제가능한 보유 링을 갖는 하우징과, 보유 링이 리세스 내에 위치될 때 상기 보유 링을 캐리어 헤드에 기계적으로 고정함없이 하우징과 보유 링 사이에 형성되는 소개가능한 챔버를 포함한다.
본 발명의 구현을 다음을 포함할 수 있다. 기판 수용면은 제 2 가압 가능한 챔버를 형성하기 위해 하우징에 연결되는 가요성 막일 수 있다. 시일은 4개의 O 자형 링을 포함할 수 있다. 2개의 제 1 의 O자형 링은 보유 링의 내측 및 외측 표면과 접촉할 수 있고, 나머지 2개의 O자형 링이 하우징과 상기 2개의 제 1 의 O자형 링 사이에 위치가능하다. 고리모양 테두리는 리세스의 개구에 인접할 수 있고, 상기 보유 링에 인가되는 토크를 감소시키기 위해 연마 표면에 충분히 근접 배치될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 보유 링에 관한 것이다. 보유 링은 연마 패드와 접촉하는 바닥면과, 캐리어 헤드의 저면 기판을 유지하기 위한 내측 표면과, 내측 표면과 연마 패드에 의해 형성되는 리세스로 기판을 안내하기 위한 내측으로 경사진 부분을 갖는 테이퍼진 상부면을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 기판을 캐리어 헤드내로 적재시키는 방법에 관한 것이다. 리세스, 기판 수용면, 및 해제가능한 보유 링을 갖는 캐리어 헤드가 지지면 위로 위치될 수 있다. 상기 보유 링은 캐리어 헤드로부터 해제되어 지지면상에 지지되고 캐리어 헤드는 지지면으로부터 멀리 이동한다. 기판이 보유 링 및 지지면에 의해 형성된 리세스 내로 배치되고, 캐리어 헤드는 기판 설치면이 리세스 내의 기판과 접촉하게되는 위치로 이동한다.
본 발명의 구현은 다음을 포함할 수 있다. 지지면은 연마 패드일 수 있고, 기판 및/또는 보유 링은 연마도중 연마 패드에 맞대어 적재될 수 있다. 지지면은 전달 스테이션 내에 위치될 수 있고, 기판 및/보유 링은 캐리어 헤드에 대해 진공처킹(vacuum-chucked)될 수 있다. 로봇 아암을 이용하여 기판을 리세스 위로 위치시키고 상기 로봇 아암으로부터 기판을 해제시킴으로써 기판이 위치될 수 있다. 기판이 리세스 내로 하강함에 따라, 기판이 보유 링의 테이퍼진 상면에 의해 중심 맞춤(centering)될 수 있다. 보유 링과 하우징 사이의 챔버 내의 압력을 상승시켜 보유 링이 캐리어 헤드로부터 나오게 하거나, 또는 보유 링을 캐리어 헤드에 대해 보유하는 진공 처킹 과정을 중단함으로써, 보유 링이 해제될 수 있다.
본 발명의 장점은 이하를 포함한다. 연마 균일성이 실질적으로 향상되도록 보유 링이 피봇된다. 또한, 보유 링을 제거하거나 대체하는 하는 것이 비교적 용이하다. 전달 스테이션의 중심 맞춤 장치가 간단한 지지면으로 교체될 수 있고, 또는 전달 스테이션 전체가 제거되어 CMP 장치의 비용 및 복잡성을 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 장점 및 특징은 도면 및 특허청구범위를 포함한 이하의 기술로부터 명백해질 것이다.
도 1을 참조하면, 하나 또는 다수의 기판(10)이 화학-기계적 연마(CMP) 장치(20)에 의해 연마된다. 이와 유사한 CMP 장치(20)의 기재를 "화학-기계적 연마를 위한 연속 프로세싱 시스템"을 발명의 명칭으로 하여 페를로프(Perlov) 등에 의해 1995년 10월 27일자로 출원되고, 본 발명의 양수인에게 양도된, 본 말명의 참고 문헌으로 제시된 바 있는, 미국 특허출원 제08/549,336호에서 찾을 수 있다.
상기 CMP 장치(20)는 테이블 상부(23)가 윗부분에 설치된 하부의 장치 베이스(22)와 착탈식 상부 외측 덮개(미도시됨)를 포함한다. 테이블 상부(23)는 일련의 연마 스테이션(25a, 25b, 25c) 및 전달 스테이션(27)을 지지한다. 전달 스테이션(27)은 3개의 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)과 더불어 일반적으로 4각형의 배열을 형성할 수 있다. 전달 스테이션(27)은, 적재 장치(미도시됨)로부터 개개의 기판(10)을 수용하고, 기판을 세척하고, 기판을 캐리어 헤드(하기에 기술됨)로 적재하고, 캐리어 헤드로부터 기판을 수용하고, 기판을 다시 세척하며, 그리고 마지막으로 기판을 적재 장치로 다시 전달하는 복수의 기능을 수행한다.
각 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)은 연마 패드(32)가 상부에 위치된 회전 가능한 평삭반(platen)(30)을 포함한다. 만약 기판(10)이 8 inch(200 mm) 직경의 디스크이면, 평삭반(30)과 연마 패드(32)는 직경이 대략 20 inch일 것이다. 평삭반(30)은 평삭반 구동 샤프드(미도시됨)에 의해 평삭반 구동 모터(미도시됨)에 연결될 수 있다.
각 연마 스테이션(25a-25c)은 이와 연관된 패드 컨디셔너 장치(40)를 더 포함할 수 있다. 각각의 패드 컨디셔너 장치(40)는 독립적으로 회전하는 컨디셔너(conditioner) 헤드(44)와 이에 연관된 세척용기(46)를 지탱하는 회전 가능한 아암(42)을 갖는다. 상기 컨디셔너 장치는 연마 패드가 회전하는 동안 이에 가압되어지는 기판을 효과적으로 연마할 수 있도록 연마 패드의 조건(condition)을 유지한다.
반응성 약품(예를 들어, 산화물 연마를 위한 탈이온수)과 화학적으로 반응성있는 촉매(예를 들어, 산화물 연마를 위한 수산화 칼륨)를 포함한 슬러리(50)가 복합 슬러리/린스 아암(52)에 의해 연마 패드(32)의 표면에 도포될 수 있다. 만약 연마 패드(32)가 표준 패드이며, 슬러리(50)는 또한 연마분(abrasive particles)(예를 들어, 산화물 연마를 위한 이산화 규소)을 포함할 수 있다. 연마 패드(32) 전체를 덮고 적시기에 충분한 슬러리가 제공된다. 슬러리/린스 아암(52)은, 각각의 연마 및 컨디셔닝 사이클의 말미에 연마 패드(32)의 고압 린스를 제공하는 다수개의 스프레이 노즐(미도시됨)을 포함한다.
카로셀 지지 플레이트(66) 및 덮개(68)를 포함하는 회전 가능한 다중 헤드 카로셀(60)이 하부의 장치 베이스(22) 위로 위치된다. 카로셀 지지 플레이트(66)는 중앙 기둥(62)에 의해 지지되고, 장치 베이스(22) 내부에 배치된 카로셀 모터(미도시됨)에 의해 카로셀 축선(64)에 대해 회전된다. 다중 헤드 카로셀(60)은 카로셀 축선(64)에 대해 각도상 동일한 간격으로 카로셀 지지 플레이트(66) 상에 설치된 4개의 캐리어 헤드 시스템(70a, 70b, 70c, 70d)을 포함한다. 상기 캐리어 헤드 시스템 중 3개는 기판을 수용하여 지탱하고, 그것들을 연마 스테이션(25a-25c)의 연마 패드에 대해 가압함으로써 연마한다. 상기 캐리어 시스템 중 하나는 기판을 수용하여 이를 전달 스테이션(27)으로 이송한다. 카로셀 모터가 캐리어 해드 시스템(70a-70d) 및 그에 부착된 기판을 연마 스테이션과 전달 스테이션 사이의 카로셀 축선(64)에 대해 선회시킬 수 있다.
각 캐리어 헤드 시스템(70a-70d)은 연마 또는 캐리어 헤드(100)를 포함한다. 각 캐리어 헤드(100)는 자신의 축선에 대해 독립적으로 회전하고, 카로셀 지지 플레이트(66) 내에 형성된 축에 직각방향의 슬롯(72) 내에서 횡방향으로 독립적으로 진동한다(도 2를 참조해도 됨). 캐리어 구동 샤프트(74)가 구동 샤프트 하우징(78)(도 3 참조)을 통해 연장되어 캐리어 헤드 회전 모터(76)를 캐리어 헤드(100)(도 1에서 덮개(68)의 1/4을 제거한 상태로 도시됨)에 연결시킨다. 각 헤드당 하나의 캐리어 구동 샤프트와 모터가 존재한다.
도 2를 참조하면, 카로셀(60)의 덮개(68)가 제거되어 있는데, 카로셀 지지 플레이트(66)의 상부가 4개의 슬롯형성 캐리어 해드 지지 슬라이드(80)를 지지한다. 각 슬라이드(80)는 방사방향 슬롯(72) 중 하나와 정렬되고 방사방향 진동기 모터(87)에 의해 슬롯을 따라 구동될 수 있다. 4개의 모터(87)는 4개의 슬라이드를 카로셀 지지 플레이트(66) 내에서 방사방향 슬롯(72)을 따라 독립적으로 이동시키도록 독립적으로 작용가능하다.
도 3을 참조하면, 구동 모터(76)의 상부에 있는 회전식 연결구(90)가 3개 또는 그 이상의 유체 라인(92a, 92b, 92c)을 구동 샤프트(74)내의 3개 또는 그 이상의 도관(94a, 94b, 94c)에 각각 연결한다. 펌프, 벤투리관(venturis), 또는 압력 조절기(이하, 간단히 "펌프"라 함)와 같은 3개의 진공 또는 압력원(93a, 93b, 93b)이 유체 라인(92a, 92b, 92c)에 각각 연결될 수 있다. 3개의 압력 센서 또는 게이지(96a, 96b, 96c)가 유체 라인(92a, 92b, 92c)에 각각 연결될 수 있고, 제어 밸브(98a, 98b, 98c)가 유체 도관(92a, 92b, 92c)을 거쳐 각각 연결될 수 있다. 펌프(93a-93c), 압력 게이지(96a-96c) 및 제어 밸브(98a-98c)가 일반적인 용도의 디지털 컴퓨터(99)에 적절히 연결된다. 컴퓨터(99)는 캐리어 헤드(100)에 공압적으로 동력을 제공하기 위해 펌프(93a-93c)를 작동시킬 수 있다.
실제 연마 도중에, 캐리어 헤드중 3개, 예컨대, 캐리어 헤드 시스템(70a-70c)의 캐리어 헤드가, 각각의 연마 스테이션(25a-25c)에 또는 그 위로 배치될 수 있다. 각 캐리어 헤드(100)는 기판을 연마 패드와 접촉하도록 하강시킨다. 알 수 있듯이, 슬러리(50)가 기판의 화학-기계적 연마를 위한 매질로서 작용한다.
일반적으로, 캐리어 헤드(100)는 연마 패드에 맞대는 위치에 기판을 지탱하고 기판의 후면에 걸쳐서 힘을 배분한다. 또한, 캐리어 헤드는 캐리어 헤드 구동 샤프트로부터 기판으로 토크를 전달한다.
도 4를 참조하면, 캐리어 헤드(100)는 하우징(102), 가요성 부재 또는 막(104), 유연한 받침 부재(compliant backing member)(106), 및 보유 링(110)을 포함한다. 상기 하우징(102)은 구동 샤프트(74)에 연결 가능하여, 연마 도중에, 연마 패드의 표면에 대해 실질적으로 수직인 회전축(112)에 대해 회전한다. 가요성 막(104)은 하우징(102)에 연결될 수 있고, 하우징 아래로 연장되어 기판에 대한 설치면(108)을 제공할 수 있다. 보유 링(110)은 연마 도중, 설치면(108) 아래에서 기판을 유지한다. 유연한 받침 부재(106)는 기판을 캐리어 헤드에 대해 고정시킬 수 있도록 주름이 있거나 울퉁불퉁한 면을 제공한다.
상기 하우징(102)은 연마되는 기판의 동그란 형태에 상응하도록, 일반적으로 원형이다. 상기 하우징은 일반적으로 원통형의 주몸체부(120)와, 상기 주몸체부 주위로 연장되어 일반적으로 U자형의 간극(124)을 형성하는 고리모양의 플랜지부(122)를 포함한다. 내측 및 외측 고리모양 리세스(126, 128)가, 간극(124)의 대향하는 면상에서 주몸체부(120)의 외면과 플랜지부(122)의 내면에 각각 형성될 수 있다. 내측 및 외측 고리모양 리세스는 하우징에 대하여 보유 링을 밀봉하기 위한 밀봉 메카니즘을 보유한다.
보유 링(110)은 주몸체부(120)와 플랜지부(122) 사이의 간극(124) 내에 배치가능하다. 보유 링(110)은 연마 패드와 접촉하는 저면(140)을 갖는 일반적으로 고리모양의 링이다. 저면(140)은 실질적으로 평평할 수 있고, 연마 도중 슬러리가 기판에 도달할 수 있도록 하기 위해 홈이나 도관을 가질 수 있다. 보유 링(110)의 내면(142)은, 가요성 막(104)의 설치면(108)과 연계하여, 기판 수용 리세스(114)를 형성한다. 상기 보유 링(110)은 기판을 기판 수용 리세스(114) 내에 보유하고, 기판으로부터 하우징으로 횡방향 부하를 전달한다. 보유 링의 상면(148)은 보유 링이 간극(124)으로 끼워질 수 있도록 테이퍼진다. 상기 상면은 내측으로 경사진 부분(149)을 포함한다.
도 5를 참조하면, 연마 공정 도중, 보유 링(110)은 하우징(102)의 플랜지부(122)와 주몸체부(120) 사이의 간극(124) 내에 위치된다. 보유 링(110)과 하우징(102) 간의 미끄럼 가능한 밀봉을 제공하기 위해 O자형 링이 사용될 수 있다. O자형 링은 또한 보유 링(110)과 하우징(102) 사이에 가압 가능한 챔버(150)를 형성할 수 있다. 2개의 O자형 링(152, 154)이 내측 리세스(126) 내에 위치될 수 있고, 다른 2개의 O자형 링(156, 158)이 외측 리세스(128) 내에 위치될 수 있다. 각각의 리세스 내에서, 하나의 O자형 링이 다른 O자형 링보다 더욱 압축가능할 수 있다. O자형 링(152)이 O자형 링(154)보다 더욱 압축 가능할 수 있고, O자형 링(156)이 O자형 링(158)에 비해 더욱 압축 가능할 수 있다. O자형 링(154)은 보유 링(110)의 내면(142)과 미끄럼 가능하게 맞물리고, O자형 링(152)은 O자형 링(154)과 주몸체부(120) 사이의 공간을 밀봉하는 반면, O자형 링(158)은 보유 링(110)의 외면(144)과 미끄럼 가능하게 맞물리고, O자형 링(156)은 O자형 링(158)과 플랜지부(122) 사이의 공간을 밀봉한다. 상기 O자형 링 어셈블리는 보유 링(110)으로 하여금 상기 보유 링과 하우징 간의 액밀식 밀봉(fluid-tight seal)을 유지하면서 수직으로 움직이도록 한다. 또한, 상기 O자형 링 어셈블리는 보유 링(110)으로 하여금 상기 보유 링과 하우징 간의 밀봉을 제공하는 동시에 횡방향으로 움직이도록 한다.
상기 O자형 링은 챔버(150)가 필요한 경우 가압되거나 소개되도록 하기에 충분한 정도로 보유 링과 빈틈없이 맞물린다. 그러나, 알 수 있듯이, 상기 O자형 링은 보유 링에 의한 수직 모션이 허용되기에 충분한 정도로 느슨하다. O자형 링과 보유 링 사이의 마찰력은, 캐리어 헤드가 연마 패드로부터 상승될 때 상기 보유 링이 간극(124) 내에 유지되게 하는 정도일 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 간극으로부터 수작업으로 잡아당기거나, 또는 챔버(150) 내부의 압력을 증가시킴으로써 간극으로부터 압출함에 의해, 보유 링이 간극(124)으로부터 제거된다. 대안적으로는, O자형 링과 보유 링 사이의 마찰력이, 캐리어 헤드가 상승될 때 간극(124) 내부에 보유 링을 보유하기에 불충분할 수도 있다. 이 경우, 챔버(150)를 소개함으로써 보유 링이 캐리어 헤드에 진공 처킹된다.
펌프(93a)는(도 3 참조) 유체 라인(92a), 회전식 연결구(90), 구동 샤프트(74) 내의 도관(94a), 및 하우징(102) 내의 통로(134)(도 4 참조)를 통해 챔버(150)에 연결될 수 있다. 보유 링(110)에 가해지는 부하를 제어하기 위해, 예를 들어 공기 등의 가스인 유체가 챔버(150) 내부 또는 외부로 펌핑된다. 유체가 챔버(150) 내부로 펌핑될 때, 보유 링(110)이 하방으로 푸싱된다. 반면에, 유체가 챔버(150)로부터 제거되면, 보유 링(110)이 상방으로 끌려감에 따라 챔버의 부피가 감소할 것이다. 따라서, 챔버(150)는 연마 패드에 조절가능한 부하를 인가하는데 사용될 수 있고, 보유 링의 수직 위치를 조절하는데 사용될 수 있다. 또한, 챔버(150)를 소개함으로써 보유 링이 캐리어 헤드에 진공 처킹될 수 있다.
연마 도중, 연마 패드로부터의 마찰력은, 보유 링을 캐리어 헤드의 리딩 측면(leading side), 즉 연마 패드의 회전과 동일 방향으로 가압하는 경향이 있다. 이것은 보유 링(110)의 내면(142)의 일측면을, 하우징(102)의 주몸체부(120)로부터 수평하게 돌출하는 고리모양 테두리(136)에 대해 가압한다. 고리모양 테두리(136)와 보유 링(110) 간의 접촉점은 보유 링이 피봇되는 지점이된다. 이 피봇 지점은 보유 링의 리딩 엣지에서 연마 패드에 근접하게 위치되므로, 보다 적은 토크가 보유 링에 인가된다. 따라서, 보유 링이 보다 안정적이고, 상기 챔버에 의해 발생되는 하방 압력이 보유 링의 저면에 걸쳐 보다 균일하게 분배된다.
보유 링(110)은, 볼트나 스크류, 접착성, 가요성 연결구, 또는 정지편(stop piece)에 의해 기계적으로 고정되기 보다는, 마찰력 또는 진공 처킹에 의해 간극(124) 내에 유지된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 보유 링을 교체하는 것이 보다 간편하다. 상술한 바와 같이, O자형 링과 보유 링 간의 마찰력에 따라, 상기 보유 링이 단순히 간극(124)으로부터 당겨지거나, 또는 챔버(150) 내의 압력을 증가시킴으로써 간극(124)으로부터 압출될 수 있다. 대안적으로, 보유 링이 캐리어 헤드에 대해 진공 처킹된 경우, 처킹 작용을 중단함으로써 해제될 수 있다.
도 4로 돌아가 보면, 받침 부재(106)가 하우징(102) 아래에 고정된다. 상기 받침 부재(106)는 주름지거나 울퉁불퉁한 저면(160)을 갖는다. 상세하게는, 상기 받침 부재는, 일정한 배열의 융기부와 이에 상응하는 만입부를 갖는 유연한 재료로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 받침 부재는 에어 포켓 배열 또는 간극 영역(164)에 의해 연결되는 팽창 가능한 셀(162)을 포함할 수 있다. 상기 셀(162)은 도관(미도시됨)에 의해 유체적으로 연결되어 받침 부재 내에 단일 캐비티(168)를 형성할 수 있다. 상기 셀이 저면의 상승된 영역을 제공하는 반면, 상기 셀 간의 간극 영역은 저면 내에 골(valley)을 제공한다.
받침 부재(106) 및 그 사용 방법의 보다 완전한 기재를, "화학-기계적 연마 장치용 가요성 막과 유연한 받침 부재를 포함하는 캐리어 헤드"를 발명의 명칭으로 하여 주니가(Zuniga) 등에 의해 동시 출원된, 고속 우편 라벨 EM202539924US이고, 본 발명의 양수인에게 양도된, 본 말명의 참고 문헌으로 제시된 바 있는 출원에서 찾을 수 있다.
받침 부재(106)를 하우징(102)에 부착시키기 위해, 스크류 또는 볼트(미도시됨)가 받침 부재의 원주에 근접한 간극 영역 내의 통공(미도시됨)을 통해 하우징 내의 수용 리세스(역시 미도시됨) 내로 연장될 수 있다. 또한, 중심부를 통하는 도관(176)을 보유한, 나사선이 형성된 스크류(172)가 상기 셀 중의 하나를 하우징(102)을 통해 통로(132)에 연결할 수 있다.
펌프(93b)(도 3 참조)는, 유체 라인(92b), 회전식 연결구(90), 구동 샤프트(74) 내의 도관(94b), 및 하우징(102) 내의 통로(132)를 경유하여 캐비티(168)에 연결될 수 있다. 만약 펌프(93b)가 예컨대 공기 등의 가스와 같은 유체를 캐비티(168) 내로 향하게 하면, 상기 받침 부재가 부풀려지고 팽창될 것이다. 반면에, 펌프(93b)가 캐비티(168)를 소개하면, 받침 부재는 수축될 것이다.
가요성 막(104)은 클로로프렌이나 에틸렌 프로필렌 고무 등의 가요성의 탄성 물질로부터 형성된 일반적으로 원형의 판일 수 있다. 가요성 막(104)(도 4 및 5 참조)의 돌출 엣지(180)가 하우징(102)의 주몸체부(120)의 외측 원통형 표면 내의 고리모양 홈(182)으로 맞추어질 수 있다. 가요성 막(104)은 또한, 설치면을 일반적으로 팽팽하게 유지시키기 위해, 보유 링에 일반적으로 인접 배치된 두꺼운 고리모양의 부분(184)을 포함할 수 있다. 가요성 막의 일부분(186)이 두꺼운 부분(184)으로부터 돌출 엣지(180)로 내측으로 연장된다.
연마 도중에, 기판(10)이 기판 수용 리세스(114) 내에 위치되는데, 기판의 후면은 가요성 막(104)의 설치면(108)에 맞대어 위치된다. 가요성 막(104)과 하우징(102) 사이의 공간이 챔버(190)를 형성한다. 펌프(93c)(도 3 참조)가 유체 라인(92c), 회전식 연결구(90), 구동 샤프트(74) 내의 도관(94c), 및 하우징(102) 내의 통로(130)를 경유하여 챔버(190)에 연결될 수 있다. 만약 펌프(93c)가 예컨대 공기 등의 가스와 같은 유체를 챔버(190) 내로 향하게 하면, 가요성 막(104)이 하방으로 가압된다. 따라서, 챔버(190)의 가압는 상기 기판을 연마 패드에 대해 가압한다. 반면, 펌프(93c)가 챔버(190)를 소개시키면, 상기 가요성 막이 상방으로 이끌려진다.
보유 링(110)은 캐리어 헤드로 적재중인 기판을 중심 맞춤하는데 사용될 수 있다. 하기에 매우 상세히 설명되는 바와 같이, 이것이 CMP 장치가 전달 스테이션 없이 작동하는 것이 가능하게 할 수 있다. 대안적으로, 기판의 적재가 여전히 전달 스테이션에서 일어날 수 있으나, 전달 스테이션 내의 중심 맞춤 메카니즘이 제거될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 처음에는 캐리어 헤드(100)가 보유 링(110)을 연마면(34)에 접촉한 채 연마 패드(32) 위에 있다. 보유 링(110)에 힘을 가하여 아래로 움직이게 하기 위해 챔버(150)로 유체가 들어가고, 예를 들어 구동 샤프트의 상단에 있는 공압식 액츄에이터(미도시됨)에 의해, 하우징(102)이 연마 패드(32)로부터 상승된다.
따라서, 도 6b를 참고하면, 하우징(102)이 연마 패드로부터 상승될 때, 보유 링(110)이 상기 패드 상에 남아 있다. 이와 같이, 보유 링의 내면 안쪽의 용적이 연마 패드 위로 기판 수용 리세스(192)를 형성한다.
도 6c를 참고하면, 예를 들어 진공 부착의 방법에 의해, 로봇 아암(195)이 기판(10)을 이송하여 일반적으로 기판 수용 리세스(192) 위로 위치시킨다. 로봇 아암(195)은 기판을 상기 기판 수용 리세스 내부에 정확히 중심 맞춤시킬 필요가 없고, 적당한 크기의 오차는 허용된다. 기판이 로봇 아암으로부터 떨어지고 테이퍼진 상면(148)의 내측으로 경사진 부분(149)에 의해 기판 수용 리세스(192) 내로 안내되도록, 로봇 아암(195)에 대한 진공의 공급이 중단된다.
따라서, 도 6d를 참조하면, 로봇 아암(195)이 후퇴하고 나면, 보유 링에 의해 기판이 적절히 중심 맞춤되어 있다.
도 6e를 참조하면, 기판이 기판 수용 리세스(192) 내에 위치한 다음, 하우징(102)이, 예컨대 공압식 액츄에이터에 의해 하강되어 보유 링(110)이 간극(124) 내로 삽입된다. 그 다음, 연마 단계를 위하여 기판에 하방의 부하를 가하기 위해 유체가 챔버(190) 내로 향한다. 또한, 보유 링(10)에 의해 기판에 가해지는 부하를 제어하기 위해, 펌프(93a)가 챔버(150) 내로 유체를 펌핑한다.
연마 패드로부터 기판을 제거하기 위해, 유체가 받침 부재(106)의 캐비티(168) 내로 향한다. 이것은 받침 부재(106)가 팽창하여 그 저면이 가요성 막(104)의 상면에 접하도록 한다. 그 다음, 기판을 설치면에 진공 처킹하기 위해 챔버(190)가 소개된다. 상세하게는, 챔버의 소개(evacuation)가, 상기 기판을 설치면에 대해 유지하는 가요성 막과 받침 부재 사이의 저압 포켓을 형성한다. 마지막으로, 캐리어 헤드가 연마 패드 위로 상승된다. 상술한 바와 같이, O자형 링과 보유 링 사이의 마찰력에 따라, 챔버(150)가 또한 소개되어 보유 링(110)이 연마 패드 위로 상승될 때 이것이 캐리어 헤드에 진공 처킹되도록 한다. 대안적으로, 보유 링을 진공 처킹하지 않거나 또는 챔버(150) 내의 압력을 증가시키는 것 중 하나에 의해, 다음 기판에 대해 사용되기 위해 보유 링이 연마 패드상에 남겨질 수 있다.
상술한 바와 같이, 착탈 가능한 보유 링(110)은, 복잡하고 고가의 기판 전달 장비를 사용하지 않고 기판이 캐리어 헤드 내로 적재되도록 한다. 상세하게는, 기판이 연마 패드에서 캐리어 헤드내로 적재될 수 있고, 전달 스테이션이 제거될 수 있으므로, CMP 장치의 비용 및 크기를 상당히 줄일 수 있다. 대안적으로, 전달 스테이션에서의 중심 맞춤 장비가 단순한 지지면으로 대체될 수 있다. 이 경우, 전달 스테이션에서의 지지면이 연마 스테이션에서의 연마면을 대신하여 사용되는 것 이외에는, 도 6a-6e를 참조하여 설명된 바와 같이 적재 공정이 진행된다. 또한, 캐리어 헤드가 전달 스테이션으로부터 적재 공정이 끝난 연마 스테이션으로 전달된다.
본 발명은 다수의 바람직한 실시예의 측면에서 기술되었다. 그러나, 본 발명은 상기에 도시되고 기술된 실시예에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims (31)

  1. 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
    리세스를 갖는 하우징과,
    기판 수용면과,
    상기 기판 수용면을 둘러싸기 위해 상기 리세스 내에 해제 가능하게 배치시킬 수 있는 보유 링과, 그리고
    상기 보유 링이 상기 리세스 내에 위치될 때 상기 하우징과 상기 보유 링 사이의 가압 가능한 챔버를 형성하기 위해 상기 보유 링과 미끄럼 가능하게 맞물리는 시일을 포함하는 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 수용면이, 상기 하우징에 연결된 가요성 막을 포함하여 이들 사이에 제 2 의 가압 가능한 챔버를 형성하는 캐리어 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 시일이 하나 이상의 O자형 링을 포함하는 캐리어 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 시일이, 제 1 및 제 2 의 내측 O자형 링, 제 1 및 제 2 의 외측 O자형 링을 포함하고, 상기 제 1 의 O자형 링은 상기 제 2 의 O자형 링보다 덜 압축 가능한 캐리어 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 의 내측 O자형 링과 상기 제 1 의 외측 O자형 링이 각각 상기 보유 링의 내면과 외면에 접촉하고, 상기 제 2 의 내측 O자형 링과 상기 제 2 의 외측 O자형 링이 각각 상기 하우징과 상기 제 1 의 내측 O자형 링 또는 상기 제 1 의 외측 O자형 링 사이에 위치되는 캐리어 헤드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 하우징이, 주몸체부, 상기 주몸체부를 둘러싸서 상기 리세스를 형성하는 실질적으로 고리모양의 플랜지를 포함하고, 상기 내측 O자형 링들이 실질적으로 상기 주몸체부의 외면 내의 내측 리세스 내에 위치되고, 상기 외측 O자형 링이 실질적으로 상기 플랜지의 내면 내의 고리모양의 외측 리세스 내에 위치되는 캐리어 헤드.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징이, 주몸체부, 상기 리세스를 형성하기 위해 상기 주몸체부를 둘러싸는 실질적으로 고리모양의 플랜지를 포함하는 캐리어 헤드.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 주몸체부가, 연마 도중에 상기 보유 링의 일부와 접촉하는 외측으로 돌출하는 고리모양 테두리를 포함하는 캐리어 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 보유 링이 테이퍼진 상면을 포함하는 캐리어 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스가 실질적으로 고리모양이고, 상기 보유 링이 실질적으로 링 형상인 캐리어 헤드.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 보유 링이 상기 캐리어 헤드에 기계적으로 고정되지 않는 캐리어 헤드.
  12. 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
    리세스를 갖는 하우징과,
    기판 수용면과,
    상기 기판 수용면을 둘러싸기 위해 상기 리세스 내에 해제 가능하게 위치시킬 수 있는 보유 링과, 그리고
    상기 보유 링이 상기 리세스 내에 위치될 때 상기 하우징과 상기 보유 링 사이에 형성되는 소개 가능한 챔버를 포함하며, 그리고 상기 챔버 내부의 압력이, 상기 리세스 내의 상기 보유 링을 유지하거나 또는 상기 하우징으로부터 상기 보유 링을 해제하는 것 중 어느 하나를 위해 선택될 수 있는 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  13. 기판을 캐리어 헤드 내로 적재하는 방법으로서,
    해제 가능한 보유 링과 기판 설치면을 갖는 캐리어 헤드를 지지면 위로 위치시키는 단계와,
    상기 보유 링이 상기 지지면 상에 지지되도록 상기 캐리어 헤드로부터 상기 보유 링을 해제하는 단계와,
    상기 캐리어 헤드를 상기 지지면으로부터 멀어지도록 이동시키는 단계와,
    상기 보유 링 및 상기 지지면에 의해 형성된 리세스 내로 기판을 위치시키는 단계와, 그리고
    상기 기판 설치면이 상기 리세스 내부의 상기 기판과 접촉하도록 하는 위치로 상기 캐리어 헤드를 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 지지면이 연마 패드를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 연마 도중에 상기 연마 패드에 대하여 상기 기판을 적재하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 연마 도중에 상기 연마 패드에 대해 상기 보유 링을 적재하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 지지면이 전달 스테이션 내에 위치하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 기판을 상기 캐리어 헤드에 대하여 진공 처킹하는 단계와 상기 캐리어 헤드를 연마 스테이션으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 보유 링을 상기 캐리어 헤드에 대해 진공 처킹하는 단계와 상기 캐리어 헤드를 연마 스테이션으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 기판이 상기 리세스 내로 하강함에 따라 상기 기판이 상기 보유 링의 테이퍼진 상면에 의해 중심 맞춤되는 방법.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 기판 설치면이 상기 기판과 접촉하도록 하는 위치로 상기 캐리어 헤드를 이동시키는 상기 단계가, 상기 보유 링을 상기 캐리어 헤드 내의 리세스 내부로 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 기판을 상기 리세스 내로 위치시키는 단계가, 로봇 아암을 이용하여 상기 리세스 위로 상기 기판을 위치시키는 단계와 상기 로봇 아암으로부터 상기 기판을 해제하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 13 항에 있어서, 상기 보유 링을 해제하는 단계가, 상기 캐리어 헤드로부터 상기 보유 링에 힘을 가하기 위해, 상기 보유 링과 하우징 사이의 챔버 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 13 항에 있어서, 상기 보유 링을 해제하는 단계가, 상기 캐리어 헤드에 대해 상기 보유 링을 유지하는 진공 처킹 작용을 중단하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 화학-기계적 연마 장치에 있어서,
    회전 가능한 연마 패드와,
    상기 연마 패드 상에 기판을 위치시키기 위한 캐리어 헤드와,
    상기 캐리어 헤드를 회전시키기 위해 상기 하우징에 연결된 구동 샤프트를 포함하며, 그리고 상기 캐리어 헤드가, 리세스를 갖는 하우징, 기판 수용면, 상기 기판 수용면을 둘러싸기 위해 상기 리세스 내에 위치시킬 수 있는 해제 가능한 보유 링, 및 상기 보유 링과 미끄럼 가능하게 맞물리고 상기 보유 링이 상기 리세스 내에 위치될 때 상기 하우징과 보유 링 사이에 가압 가능한 챔버를 형성하게 하는 시일을 포함하는 화학-기계적 연마 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 챔버 내의 압력을 제어하기 위해 상기 챔버에 유체적으로 연결되는 펌프를 더 포함하는 장치.
  27. 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
    외측으로 돌출하는 고리모양 테두리를 갖는 주몸체부, 상기 주몸체부를 둘러싸서 리세스를 형성하는 실질적으로 고리모양의 플랜지를 포함하는 하우징과,
    기판 수용면과,
    상기 보유 링이 상기 기판 수용면을 둘러싸도록 하고 상기 보유 링이 연마 도중에 상기 고리모양 테두리와 접촉하도록, 상기 리세스 내에 위치시킬 수 있는 횡방향으로 이동 가능한 보유 링과, 그리고
    상기 하우징과 상기 보유 링 사이에 가압 가능한 챔버를 형성하는 시일을 포함하는 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 고리모양 테두리가 상기 리세스에 대한 개구에 인접하는 캐리어 헤드.
  29. 제 27 항에 있어서, 연마 도중에, 상기 고리모양 테두리가, 상기 보유 링에 가해지는 토크를 감소시키기 위해 연마면에 충분히 가깝게 위치되는 캐리어 헤드.
  30. 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
    리세스를 갖는 하우징과,
    기판 수용면과,
    상기 기판 수용면을 둘러싸기 위해 상기 리세스 내에 위치시킬 수 있는 해제 가능한 보유 링과, 그리고
    상기 보유 링을 상기 캐리어 헤드에 기계적으로 고정시키지 않고 상기 보유 링이 상기 리세스 내에 위치될 때, 상기 하우징과 상기 보유 링 사이에 소개 가능한 챔버를 형성하는 시일을 포함하는 화학-기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  31. 보유 링에 있어서,
    연마 패드와 접촉하기 위한 바닥면과,
    캐리어 헤드 아래에서 기판을 유지하기 위한 내면과,
    상기 내면 및 상기 연마 패드에 의해 형성되는 리세스로 상기 기판을 안내하기 위해 내측으로 경사진 부분을 포함하는 테이퍼진 상면을 포함하는 보유 링.
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