KR20010051781A - 기판 감지기를 가지는 캐리어 헤드 - Google Patents

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조셉 제이. 스위니
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Abstract

캐리어 헤드는 베이스, 가요성 박막, 및 기판 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드 내의 밸브를 가진다. 밸브는 제 1 챔버가 소개된때 기판이 가요성 박막의 하부 표면에 부착한 경우 밸브가 기판 감지 시스템에 대한 신호를 생성하기 위해 작동하도록 가요성 박막의 상부 표면에 접촉하는 밸브 스템을 포함한다.

Description

기판 감지기를 가지는 캐리어 헤드{A CARRIER HEAD WITH A SUBSTRATE DETECTOR}
본 발명은 일반적으로 기판의 화학 기계적 연마에 관한 것이며 특히 캐리어 헤드(carrier head)내의 기판의 감지에 관한 것이다.
집적회로는 일반적으로 기판, 특히 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)위에 전도성, 반전도성, 또는 절연성 층의 연속적인 증착에 의해 형성된다. 각각의 층이 증착된 후에, 상기 층은 회로의 피쳐(feature)를 형성하기 위해 에칭된다. 일련의 층이 연속적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외측 또는 최상부 표면, 즉, 기판의 노출된 표면은 점진적으로 평면의 형상에서 벗어나게 된다.
화학 기계적 연마(CMP)는 기판표면의 평면화를 위해 수용될 수 있는 방법 중 하나이다. 이 평면화 방법은 기판이 캐리어 또는 연마 헤드에 장착되어지는 것을 일반적으로 필요로 한다. 이때 기판의 노출된 표면은 회전하는 연마패드 혹은 움직이는 연마벨트에 대하여 위치하게 된다. 연마패드는 내구성의 거친 표면을 가지는 "표준적인" 패드이거나 또는 바인더(binder)내에 매입된 연마입자를 가지는 고정-연마 패드이다. 캐리어는 연마패드에 대해 기판을 압박하기 위해 기판 위에 제어 가능한 하중을 제공한다. 부가적으로, 캐리어는 기판의 표면 위의 상대 속도 분포에 영향을 미치기 위해 회전한다. 하나 이상의 화학 반응성 약품을 포함하는 연마 슬러리(slurry) 및 연마입자는 표준적인 패드가 사용되는 경우에 연마패드 위에 분포할 수 있다.
통상적으로, 캐리어 헤드는 연마과정이 완료된 후에 연마패드로 부터 기판을 제거할 때 사용된다. 기판은 캐리어 헤드의 아래쪽에 진공-고정(vacuum-chucked) 되어있다. 캐리어 헤드가 수축하면, 기판은 패드로 부터 들어올려 진다.
CMP가 직면하는 하나의 문제는 기판이 캐리어 헤드에 의해 들여 올려 지지 않는 것이다. 예를 들면, 기판을 연마패드에 결합시키는 표면장력이 기판을 캐리어 헤드에 결합시키는 힘보다 큰 경우에, 기판은 캐리어 헤드가 수축하더라도 연마패드 위에 남게된다. 또한, 연마 도중에 결함 있는 기판이 파괴되는 경우, 캐리어 헤드는 연마패드로부터 파괴된 기판을 제거할 수 없게 된다.
이와 관련된 문제로서, 캐리어 헤드에 기판의 부착이 실패할 수 있다는 것과 기판이 캐리어 헤드로부터 떨어질 수 있다는 것이 있다. 예를 들면, 기판이 진공-척과 협력하기보다는 표면장력만에 의해 캐리어 헤드에 부착되는 경우 상기와 같은 문제점이 발생한다.
이와 같이, 작업자는 캐리어 헤드가 더이상 기판을 운반하지 못한다는 것을 인식하지 못할 수도 있다. CMP 장비는 기판이 캐리어 헤드 내에 더 이상 존재하지 않는 경우에도 계속 작동하게 된다. 이는 작업처리량을 감소시킬 수 있다. 부가적으로, 느슨한 기판 즉 캐리어 헤드에 부착되지 않은 기판은 CMP 장비의 이동 요소에 의해 난타될 수 있고, 어쩌면 기판 또는 연마패드에 손상을 줄 수 있으며, 또는 다른 기판을 손상시킬 수 있는 파편을 남기게 된다.
CMP가 직면하는 다른 문제는 기판이 캐리어 헤드 내에 존재하는지 결정하는 것이 어렵다는 것이다. 기판은 캐리어 헤드 밑에 위치하게 되므로, 기판이 캐리어 헤드 내에 있는 지와 캐리어 헤드에 적절히 부착되어 있는 지를 시각적 검사에 의해 결정하는 것이 어렵다. 또한, 슬러리의 존재는 광학 감지 기술의 이용을 방해한다.
캐리어 헤드는 기판 수용 표면으로 작용하는 하부 표면을 가지는 단단한 베이스를 포함할 수 있다. 다중 채널은 베이스를 통해 기판 수용 표면까지 연장 되어있다. 펌프 또는 진공원은 채널에 대해 진공을 적용할 수 있다. 공기가 채널로부터 펌핑 되어 방출되는 경우, 기판은 베이스의 하부 표면에 진공-고정된다. 압력센서는 캐리어 헤드 내의 압력원과 채널 사이의 압력 라인에 접속될 수 있다. 기판이 캐리어 헤드를 성공적으로 진공-고정 하지 못하는 경우, 채널이 개방되어 공기 또는 다른 유체가 채널내부로 누출된다. 반면에, 기판이 성공적으로 캐리어 헤드에 진공-고정 되는 경우에는, 채널은 밀봉되며 공기는 채널로 누출되지 않는다. 따라서, 압력센서는 기판이 캐리어 헤드의 아래쪽에 성공적으로 진공-고정되는 경우에 기판이 캐리어 헤드에 부착되지 않은 경우에 비해 고진공 또는 낮은 압력을 측정할 것이다.
불행히도, 캐리어 헤드내의 기판의 존재를 감지하는 방법은 몇가지 문제가 있다. 부식성의 슬러리가 채널 속으로 흡입되면서 캐리어 헤드를 오염시킬 수 있다. 또한, 기판이 연마패드로부터 들여 올려졌는 지를 판단하는 입구 압력은 실험적으로 결정되어야 한다.
따라서, 캐리어 헤드 내에 기판의 존재를 신뢰성 있게 인지할 수 있는 CMP 시스템을 제공하는 것은 유익할 것이다. 캐리어 헤드 내측부가 슬러리에 의한 오염 없이 작동한다면 시스템이 매우 효율적일 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 베이스를 가지는 캐리어 헤드, 제 1 챔버를 형성하고 기판을 수용하는 면을 제공하는 하부표면을 가지는 가요성 박막, 및 기판 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 밸브에 관한 것이다. 제 1 챔버가 소개될 때 가요성 박막의 하부 표면에 기판이 부착되는 경우, 밸브가 기판 감지 시스템에 대한 신호를 발생시키게끔 작동하도록, 밸브는 가요성 박막의 상부 표면에 접촉하는 밸브 스템(stem)을 포함한다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 특성을 포함할 수 있다. 밸브는 제 1 챔버와 제 2 챔버를 유동적으로 결합하는 통로 내에 위치할 수 있다. 밸브는 개방 또는 밀폐 위치내에서 편향되며, 밸브를 조작함으로써 밸브를 개방 또는 밀폐시킬 수 있다. 밸브 스템은 지지 구조물내의 통공을 통하여 연장되며, 지지 구조물의 하부 표면위로 약간 돌출할 수 있다. 지지 구조물은 바닥에 대하여 이동 가능하다. 밸브는 스프링에 의해 편향되며, 스프링의 스프링 상수는 기판이 부착되지 않은 경우 스프링으로부터의 힘이 가요성 박막으로부터의 힘과 상쇄되기에 충분하나 기판이 부착된 경우 가요성 박막으로부터의 힘과 상쇄되기에는 불충분하도록 선택된다. 밸브 스템은 제 1 챔버가 소개 된 경우 가요성 박막의 상부 표면에 접촉할 수 있다. 가요성 박막은 기판이 존재하지 않는 경우 밸브의 하부 주위를 에워싼다.
다른 실시예에서, 캐리어 헤드는 베이스를 포함하고, 또한 제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부표면을 가지는 가요성 박막, 및 기판 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 밸브를 포함한다. 밸브는 지지 표면을 지나서 돌출해 있으며, 이 결과로 제 1 챔버가 소개된 때 및 기판이 가요성 박막의 하부 표면에 부착된 경우, 기판은 지지 표면에 인접하며 밸브를 작동시킨다.
다른 실시예에서, 캐리어 헤드는 베이스를 포함하고, 또한 제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부표면을 가지는 가요성 박막, 및 웨이퍼 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 다수의 밸브를 포함한다. 제 1 챔버가 소개된 때 기판이 가요성 박막에 부착되는 경우, 밸브의 어느 한쪽은 웨이퍼 감지 시스템에 대한 신호를 생성하기 위하여 작동한다.
다른 실시예에서, 캐리어 헤드는 베이스를 포함하고, 또한 제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부표면을 가지는 가요성 박막, 및 웨이퍼 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 다수의 밸브를 포함한다. 제 1 챔버가 소개될 때 기판이 가요성 박막에 부착되는 경우, 양쪽 밸브가 웨이퍼 감지 시스템에 대한 신호를 생성하기 위하여 작동한다.
다른 실시예에서, 캐리어 헤드는 베이스를 포함하고, 또한 제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부표면을 가지는 가요성 박막, 제 2 챔버, 제 1 및 제 2 챔버 사이의 베이스를 통하는 통로, 통로를 편향 개방하고 제 1 챔버가 소개될 때에 기판이 가요성 박막에 부착되는 경우 통로를 밀폐하도록 작동하는 제 1 밸브 및 제 1 밸브에 직렬 접속되어 있는 제 2 밸브를 포함하며, 제 2 밸브는 통로를 편향 밀폐하고 제 2 챔버가 소개될 때에 통로를 개방하도록 작동한다.
본 발명의 장점은 다음을 포함한다. CMP 장치는 기판이 적절하게 캐리어 헤드에 부착되었는지를 감지하는 센서를 포함한다. 상기 센서는 오작동의 정도가 작다.
본 발명의 다른 장점 및 특징은 도면과 청구항을 포함하여 이하에서 기술되는 바에 의해 명백해진다.
도 1은 화학 기계적 연마 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 부분적으로는 가요성 박막 및 챔버를 가지는 캐리어 헤드의 개략적 단면도이며, 부분적으로는 캐리어 헤드용 공압 제어 시스템의 개략적 도면이다.
도 3a는 도 2의 캐리어 헤드의 밸브의 확대도이다.
도 3b는 부착된 기판을 가지는 도 3a의 캐리어 헤드의 도면이다.
도 4는 도 2의 캐리어 헤드를 사용하는 CMP 장치의 시간 함수에 대한 압력을 나타내는 도면이다.
도 5는 평행하게 접속된 다둥 밸브를 포함하는 캐리어 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 6은 직렬 접속된 다중 밸브를 포함하는 캐리어 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 7은 밸브가 격벽에 의해 분리된 캐리어 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 8은 밸브가 대향하는 방향으로 편향된 캐리어 헤드의 개략적인 단면도이다.
상이한 실시예에 따라 일부 요소가 다른 구조, 작동, 또는 기능을 가지더라도 유사한 도면부호는 다양한 도면상에서 유사한 요소를 지시한다.
*도면의 주요 부분에 대한 상세한 설명*
10 : 기판 20 : 연마장치(CMP)
25 ; 연마부 27 : 전달부
30 : 테이블 32 : 연마패드
34 : 연마패드 재조절 장치 36 : 아암
38 : 슬러리 40 : 캐러셀
42 : 구동축 52a : 제 1 펌프
52b : 제 2 펌프 56a 56b 56c : 압력센서
58a 58b 58c : 작동밸브 100 : 캐리어 헤드
102 : 하우징 허브 104 : 베이스
106 : 짐벌기구 108 : 적재 챔버
110 : 보유 링 112 : 조립체
114 : 고정 링 118 : 가요성 박막
128 : 이격 링 140 : 격벽
146 : 플랜지 150 : 짐벌로드
154 : 제 1 통로 156 : 제 2 통로
160 : 블래더 162 : 박막
176 : 플랩 180 : 플레이트
182 : 플랜지 200 : 밸브
202 : 밸브스템 204 : 밸브 플랜지
206 : O-링 214 : 스프링
400 : 제 1 밸브 410 : 제 2 밸브
402 : 제 1 챔버 412 : 제 2 챔버
430 : 가요성 격벽 432 : 범퍼
도 1을 참조하면, 하나 이상의 기판(10)이 화학 기계적 연마(CMP) 장치(20)에 의하여 연마되고 있다. CMP 장치의 완전한 기술은 여기에서 참고된 출원중인 미국 특허 제 5,738,574에서 발견할 수 있다. CMP 장치(20)는 일련의 연마부(25) 및 전달부(27)를 포함한다.
각각의 연마부(25)는 연마패드(32)가 위치하는 회전 가능한 테이블(30)을 포함한다. 각각의 연마부는 주기적으로 연마패드의 표면을 재조정하는 연관된 패드 재조정 장치(34)를 더 포함한다. 또한 각각의 연마부는 활성제(즉 산화연마용 탈이온수), 연마입자(즉 산화연마용 이산화규소), 화학적-반응 촉매(즉 산화연마용 수산화 칼륨)를 포함하는 슬러리(38)를 연마패드(32)의 표면에 공급하기 위한 복합 슬러리/린스암(slurry/rinse arm;36)을 포함한다.
또한 CMP 장치(20)는 4개의 캐리어 헤드(100)를 지지하고 있는 회전 가능한 멀티-헤드 캐러셀(carousel;40)을 포함한다. 캐리어 헤드 중 3개는 기판을 수용하여 유지하며 연마부(25)의 테이블(30)위의 연마패드(32)에 대해 기판을 가압함으로써 기판을 연마한다. 캐리어 헤드 중 하나는 전달부(25)로 부터 기판을 수용하며 기판을 전달부(25)에 전달한다. 캐러셀은 연마부와 전달부 사이에서 캐리어 헤드와 이에 부착된 기판을 선회시키도록 회전할수 있다. 각각의 캐리어는 캐리어 자체 축에 대해 독립적으로 회전가능하며, 구동축(42)에 의해 독립적으로 횡으로 진동한다.
일반적으로, 캐리어 헤드(100)는 연마패드에 대해 기판을 유지하며 기판의 후면 전체에 고르게 힘을 분포시킨다. 또한 캐리어 헤드는 구동축으로부터의 토크를 기판에 전달하며 기판이 연마동안 캐리어 헤드 밑에서 미끄러지지 않도록 한다.
도 2를 참조하면, 캐리어 헤드(100)는 하우징 허브(housing hub;102), 베이스(104), 적재 챔버(loading chamber;108), 보유 링(retaining ring;110), 및 기판 받침용 조립체(substrate backing assembly;112)를 포함한다. 유사한 캐리어 헤드의 기술은 본 출원의 참고 자료인 미국 특허 제 5,957,751 및 10/9/98에 출원되어 계류중인 미국 출원 번호 제 09/169,500에서 발견할 수 있다.
하우징 허브(102)는 연마패드의 표면에 거의 수직한 회전축에 대해 회전하도록 구동축(42)에 접속되어있다. 3개의 통로(130, 132, 134)는 캐리어 헤드의 공압식 제어를 위해 하우징 허브(104)를 통과하여 형성되어있다.
베이스(104)는 짐벌 기구(gimbal mechanism;106) 및 외측 고정 링(clamp ring;144)을 포함한다. 하우징 허브(102)에 대한 베이스(104)의 수직 위치는 적재 챔버(108)에 의해 제어된다. 또한 챔버(108)는 베이스(104) 및 보유 링(11) 위로의 하향 압력을 제어한다. 적재 챔버(108)는 내측 고정 링(142)에 의해 하우징 허브(102)에 고정되며 외측 고정 링(144)과 휨 링(flexure ring;152)사이의 베이스(104)에 고정된 격벽(140)에 의해 밀봉된다. 외측 고정 링(144)은 캐리어 헤드의 과도한 신장과 슬러리가 격벽(140)을 오염시키는 것을 방지하기 위해 하우징 허브(102)의 가장자리에 걸쳐 내측으로 돌출된 플랜지(flange;146)를 포함한다.
제 1 펌프 또는 압력원(52a)은 하우징 허브(102)내의 통로(130)에 의해 적재 챔버(108)와 연결된다. 펌프(52a)가 적재 챔버(108)속으로 유체를 펌핑 하는 경우, 챔버의 체적은 증가하며 베이스(104)는 아래쪽으로 밀어진다. 반면, 펌프(52a)가 적재 챔버(108) 밖으로 유체를 펌프 하는 경우, 챔버(108)의 체적은 감소하며 베이스(104)는 위쪽으로 밀어진다.
짐벌기구(106)는 보유 링이 연마패드의 표면과 거의 평행하게 유지되도록 베이스(104)가 하우징 허브(102)에 대해 움직이는 것을 허용한다. 짐벌기구(106)는 짐벌 로드(150)와 휨링(152)을 포함한다. 짐벌 로드(150)는 베이스(104)가 하우징(102)에 대해 수직하게 움직일 수 있도록 하우징(102)내의 통로(132)내에서 수직하게 미끄러질 수 있다. 그러나, 짐벌 로드(150)는 하우징(102)에 대해 베이스(104)의 어떠한 측면 운동도 방지한다. 제 1 통로(154)는 짐벌 로드(150)를 통과하여 형성되며, 제 2 통로(156)는 캐리어 헤드의 공압식 제어를 위해 짐벌 로드(150), 휨링(152), 및 외측 고정 링(144)을 통과하여 형성 되어있다.
보유 링(110)은 베이스(104)의 외측 엣지에 고정될 수 있다. 보유 링(110)은 평편한 베이스면(126)을 가지거나, 베이스면은 슬러리 유동을 허용하는 채널을 포함한다. 유체가 챔버(108) 내로 펌핑된 경우 베이스(104)는 아래쪽으로 밀려지며, 보유 링(110)도 하중을 연마패드(32)에 작용시키기 위해 아래쪽으로 밀려진다. 보유 링(110)의 내측 표면(124)은 측면 운동으로 부터 기판을 제지한다.
박막(162)은 고리형 블래더(annular bladder; 160)를 형성하기 위해 고정 링(164)에 의해 베이스(164)의 하부 표면에 고정되어있다. 통로(166)는 고정 링(164)을 통과하여 연장되며 베이스(104)내의 통로(156)와 일직선이 되도록 배열된다. 제 2 펌프 또는 압력원(52b)은 하우징 허브(102)내의 통로(134), 베이스(104)내의 통로(156), 및 고정 링(164)내의 통로(166)를 경유하여 블래더(160)에 접속된다. 펌프(52b)가 블래더(160)내로 유체를 가압하는 경우, 이때 블래더(160)는 아래쪽으로 팽창한다. 반면에, 펌프(52b)가 유체를 배출시키는 경우, 이때 블래더(160)는 수축한다. 이하에서 언급되는 바에 의하면, 블래더(160)는 지지 구조물(114) 및 가요성 박막(118)에 하향 압력을 작용하도록 사용될 수 있다.
기판 받침용 조립체(112)는 가요성 박막(118), 지지링(116), 지지 구조물(114), 및 이격 링(spacer ring;128)을 포함한다. 이와 같은 각각의 요소는 이하에서 더욱 자세히 기술된다.
가요성 박막(118)은 일반적으로 이격 링(128) 및 지지 플레이트(114) 사이에서 연장하는 중앙부(170) 및 주위부(172)를 가지며 가요성 및 탄성 재료로 형성된 원형의 박판이다. 가요성 박막(118)의 중앙부(170)는 기판에 대해 지지표면을 제공하기 위하여 지지 구조물(114)밑으로 연장한다. 주위부(172)의 내측 엣지는 본 출원의 참고 자료인 4/22/99 출원되어 계류중인 미국 출원 번호 제 09/296,935에서 논의된 팽창가능한 립(lip;174)을 형성하기 위해 중앙부(170)의 주위 위로 접혀진다. 박막(118)의 외측 엣지는 가압 가능한 챔버(120)를 형성하기 위해 보유 링(110) 및 외측 고정 링(144)사이에서 고정된다.
제 3 펌프 또는 압력원(52c)은 짐벌 로드(150)내의 통로(154)를 경유하여 챔버(120)에 접속된다. 펌프(52c)가 유체를 챔버(120)내로 가압하는 경우, 이때 챔버의 체적은 증가하며 가요성 박막(118)은 아래쪽으로 힘이 가해진다. 반면, 펌프(52c)가 챔버(120)로 부터 공기를 제거하는 경우, 이때 챔버의 체적은 감소하며 박막은 위쪽으로 수축된다.
이격 링(128)은 가요성 박막(118)의 적절한 형상을 유지하기 위해 지지 구조물(114)과 보유 링(110)사이에서 위치하는 고리형 물체이다. 이격 링(128)은 가요성 박막(118)의 립 부분에 지지된다.
지지 링(116)은 가요성 박막(118)위의 챔버(120)내에 있는 C-형상의 단면을 가지는 고리형 조각이다. 가요성 박막(118)의 중앙부(170)는 가요성 박막(118)의 적절한 형상을 유지하기 위해 지지 링(116)에 결합하는 안쪽으로 연장된 플랩(flap;176)을 포함한다.
지지 구조물(114)은 가요성 박막(118)위의 챔버(120)내에 있다. 지지 구조물(114)은 다수의 도시되지 않은 통공, 지지 링(116)을 지나서 연장된 외부로 연장하는 플랜지 부분(182), 및 가요성 박막의 주위부(172)와 지지링(116) 사이에서 연장되어 가요성 박막의 상기 중앙부(170)위에 놓여지는, 하향 연장하는 플랜지 부분(184)을 가지는 디스크-형상의 플레이트 부분(plate portion;180)을 포함한다.
본 발명의 CMP 장치는 기판이 캐리어 헤드(100)에 적절히 부착되었는 지를 감지할 수 있다. CMP 장치가 기판이 누락 또는 캐리어 헤드에 부적절히 부착된 것을 감지하는 경우, 작업자는 경고를 받으며 연마 작업은 자동적으로 중단된다.
3개의 압력 센서 또는 게이지(56a, 56b, 56c)는 펌프(52a, 52b, 52c)와 챔버(108, 160, 120)사이의 유체 라인에 각각 접속된다. 제어 가능한 밸브(58a, 58b, 58c)는 압력 게이지(56a, 56b, 56c)와 펌프(52a, 52b, 52c)사이의 유체 라인을 가로질러 각각 접속된다. 펌프(52a-52c), 압력 게이지(56a-56c) 및 밸브(58a-58c)는 일반적인 목적의 디지털 컴퓨터(60)에 적절하게 연결된다. 컴퓨터(60)는 상기에서 기술된 바와 같이 공압식 파워 캐리어 헤드(100) 및 캐리어 헤드의 하부에 대한 진공-고정 기판에 대하여 펌프(52a-52c)를 작동시킨다. 또한, 컴퓨터(60)는 캐리어 헤드내의 기판의 존재를 감지하기 위해 이하에서 자세히 기술되는 작동밸브(58a-58c) 및 모니터 압력 게이지(56a-56c)를 작동시킨다.
도 3a및 3b를 참조하면, 캐리어 헤드(100)는 웨이퍼 감지 능력을 가진 캐리어 헤드를 제공하기 위해 기계적으로 작동되는 밸브(200)를 포함한다. 일 실시예에서, 통로(156)는 휨링(152)내의 챔버(220)에 접속되며, 밸브(200)는 캐리어의 중앙 부근에 위치하며 챔버(220) 및 챔버(120) 사이에서 연장된다. 본 실시예에서, 밸브(200)는 밸브 스템(202), 밸브 스템(202)으로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되는 고리형 플랜지(204), O-링(206), 및 스프링(214)을 포함한다. 밸브 스템(202)은 밸브 챔버(220)내에 위치한 밸브 플랜지(204)와 함께 밸브 챔버(220) 및 하부 챔버(120) 사이에서 휨링(152)내의 구멍을 통과하여 연장한다. 하부 챔버(120)내로 연장하는 밸브 스템(202)의 부분은 지지 구조물(114)내의 통공(210)을 통과한다. 하부 챔버(120)가 소개되고 지지 구조물(114)이 베이스(104)에 대향하여 수축한 경우, 밸브 스템(202)은 지지 구조물(114)의 하부 표면(186) 아래로 약간 연장한다. 채널(212)은 챔버(120)를 밸브 챔버(220)에 접속하기 위하여 통공(208) 및 밸브 스템(202)을 둘러싸는 휨림(152)내에 형성된다. 그러나, O-링(206)은 고리형 플랜지(204) 및 휨링(152) 사이에서 밸브 챔버(220)내의 밸브 스템(202) 주위에 위치한다. 또한, 스프링(214)은 고리형 플랜지(204) 및 밸브 챔버(220)의 천장(222) 사이에 위치한다. 스프링(214)은 밸브(200)를 밀폐 위치로 편향시킨다(도 3a에 도시된 바와 같이). 보다 상세히는, O-링(206)은 밸브 챔버(220)로 부터 채널(212)을 밀봉하기 위하여 고리형 플랜지(204)와 휨링(152) 사이에서 압박되어, 이로써 하부 챔버(120)로부터 밸브 챔버(220)가 고립된다. 그러나, 밸브 스템(202)이 위쪽 방향으로 힘을 받는 경우(도 3b에서 도시된 바와 같이), O-링은 더이상 압박상태에 있지 않으며 유체는 O-링 주위의 틈새를 통하여 누출된다. 이와 같이 O-링(200)은 개방되며 밸브 챔버(220) 및 하부 챔버(120)는 채널(212)을 경유하여 유체 연통한다.
캐리어 헤드(100)를 포함하는 CMP 장치는 기판이 이하에서 기술되는 바와 같이 캐리어에 성공적으로 진공-고정되었는지를 감지한다. 기판은 가요성 박막(118)에 맞대어 위치한다. 펌프(52b)는 소정의 압력으로 블래더(160)를 팽창시키며, 이때 밸브(58b)는 펌프(52b)로부터 블래더(160)를 고립시킨다. 블래더(160)내의 압력의 제 1 측정은 압력 게이지(56b)에 의한다. 이때 펌프(52c)는 캐리어 헤드에 대해 기판을 진공-고정시키기 위해 가요성 박막과 기판 사이에서 저압 포켓(pocket)을 형성하도록 하부 챔버(120)의 공기를 소개시킨다. 이때 블래더(160)내의 압력의 제 2 측정은 압력 게이지(56b)에 의한다. 제 1 및 제 2 압력 측정은 기판이 성공적으로 캐리어 헤드에 진공-고정되었는지를 결정하기 위해 비교된다.
기판이 있는 경우에는 밸브(200)가 작동하고 기판이 없는 경우에는 작동하지 않도록 캐리어 헤드(100)가 배열된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판이 존재하지 않는 경우, 이때 챔버(120)가 소개된 경우, 가요성 박막(118)은 위쪽으로 이동하여 밸브 스템과 접촉한다. 그러나, 챔버(120)가 소개된 경우 가요성 박막(118)은 휘기 쉽고 지지 구조물(114)에 대해 부분적으로 지지되어 있으므로, 가요성 박막은 밸브 스템 주위를 감싸는 경향이 있으며, 가요성 박막(118)으로 부터 밸브 스템(202)상의 상향 장력은 스프링(204)으로부터 하향 스프링 힘을 극복하기에는 불충분하여 밸브(200)는 밀폐된 상태로 유지된다. 반면, 도 3b에서 도시된 바와 같이, 기판이 가요성 박막에 진공-고정되는 경우, 상대적으로 강성인 기판이 밸브 스템(202)위를 가압한다. 이 경우, 가요성 박막(118) 및 기판(10)으로부터의 상향 장력은 스프링(204)으로부터 하향 스프링 힘을 극복하여 밸브(200)는 개방되며 하부 챔버(120)와 밸브 챔버(120)는 유체적으로 접속된다. 이는 유체가 밸브 챔버(220)를 통과하여 블래더(160) 밖으로 소개되는과 펌프(52c)에 의해 소개되는 것을 허용한다.
스프링(204)은 박막에 의해 작용되는 상향력과 상쇄되기에 충분하고 기판이 박막에 부착되는 경우에 작용하는 상향력과는 상쇄되기에 불충분한 하향력을 제공하도록 선택되어진다. 일반적으로, 지지 구조물(114)내의 통공(210)이 더 넓을 수록, 박막(118)이 더 강성일 수록, 그리고 밸브 스템(202)이 하부 표면(176)을 지나서 더 멀리 연장될 수록, 가요성 박막(118)이 밸브 스템(202)에 더 큰 힘을 작용하며, 스프링(204)은 더 큰 스프링 상수를 필요로 한다. 그러나, 낮은 스프링 상수는 밸브가 작동될 때 기판 위에 더 낮은 응력을 초래한다.
도 4를 참조하면, 블래더(160)는 초기에 압력 P1의 상태에 있다. 제 1 압력 측정은 펌프(52c)가 하부 챔버(120)의 소개를 시작하기 전의 시간 T1에서 행해진다. 챔버(120)가 시간 T2에서 소개되는 경우, 가요성 박막(118)은 위쪽으로 수축된다. 기판이 존재하는 경우, 밸브(200)는 밀폐된 상태로 유지되며, 블래더(160)내의 압력은 압력 P1에서 일정하게 유지거나, 또는 지지 구조물(114)이 블래더(160)를 가압하기 위해 위쪽 방향으로 힘을 가하는 경우에는 압력 P2까지 증가하기도 한다. 따라서 게이지(56b)에 의해 측정된 블래더(160)내의 압력은 압력 P1또는 그 이상으로 유지된다. 반면, 기판이 존재하는 경우, 이때 밸브(200)는 개방되며 게이지(56b)에 의해 측정된 압력이 압력 P3까지 떨어지도록 체적(160)으로부터 유체가 빠져나간다. 그러므로, 제 2 측정 압력이 제 1 측정 압력보다 적은 경우에는, 기판은 캐리어 헤드에 부착된다. 그러나, 제 2 측정 압력이 제 1 측정 압력과 같거나 혹은 더 큰 경우에는, 기판이 캐리어 헤드에 부착되지 않는다.
컴퓨터(60)는 상기 두개의 압력 측정을 저장하도록 프로그램 되어 있으며, 상기 압력 측정들을 비교하여 기판이 캐리어 헤드에 성공적으로 진공-고정 되었는지를 결정한다. 이는 "잘못된" 신호 예를 들면 사실상 기판이 존재하는 경우 기판이 존재하지 않는다고 지시하는 신호를 생성하지 않는 상당히 신뢰할 만한 기판 감지기이다. 또한, 센서는 가요성 박막의 후방에서 캐리어 헤드의 내부에 포함되므로, 센서는 캐리어 헤드의 내측을 오염시키는 슬러리로부터 안전하다.
다른 실시예인 도 5를 참조하면, 캐리어 헤드(100a)는 하부 챔버(120)와 블래더(160)사이에서 평행하게 접속된 두개 이상의 밸브(300, 310)를 포함한다. 예를 들면, 제 1 밸브는 하부 챔버(120)와 제 1 챔버(302) 사이에서 연장되며, 반면 제 2 밸브는 하부 챔버(120)와 제 2 챔버(312) 사이에서 연장된다. 휨링(154)내의 통로(320)는 제 1 챔버(302)와 제 2 챔버(312)를 접속시킨다. 따라서, 챔버(120)는 한쪽 또는 양쪽 밸브(300)가 작동하는 경우에 블래더(160)에 접속된다. 본 실시예는 웨이퍼의 존재에 대한 캐리어 헤드의 감도를 증가시키며, 하나의 밸브가 막히는 경우를 대비하여 여분을 제공한다. 또한, 캐리어 헤드가 캐리어 베이스 주위에서 등각의 간격으로 이격된 3개 이상의 밸브를 포함하는 경우, 기판은 들여 올려질 때 경사지지 않을 것이다.
다른 실시예인 도 6을 참조하면, 캐리어 헤드(100b)는 챔버(120)와 블래더(160) 사이에서 직렬 접속된 두개 이상의 밸브(400, 410)를 포함한다. 예를 들면, 제 1 밸브는 하부 챔버(120)와 제 1 챔버(402) 사이에서 연장하고, 휨링(152)을 통과하는 통로(420)는 제 2 밸브(410)의 O-링에 의해 제 2 챔버(412)로부터 밀봉되는 통로(414)에 제 1 챔버(402)를 접속한다. 제 2 챔버(412)는 통로(156)에 의해 블래더(160)에 접속된다. 요약하면, 제 1 밸브(400)의 입구는 챔버(120)에 접속하며, 제 1 밸브(400)의 출구는 통로(420)에 의해 제 2 밸브(402)의 입구에 접속하며, 제 2 밸브(410)의 입구는 블래더(160)에 접속한다. 따라서, 챔버(120)는 양쪽 밸브(400, 410)가 모두 작동하는 경우에만 블래더(160)에 접속한다. 이와 같은 실시예는 기판의 부존재에 대한 캐리어 헤드의 감도를 증가시키며 기판이 가요성 박막에 충분하지 못하게 고정된 경우, 예를 들면 기판이 가요성 박막에 진공-고정 되지 않고 표면 장력으로만 부착된 경우와 양쪽 센서를 작동시키지 않고 경사진 경우에 대한 캐리어 헤드의 감도를 증가시킨다. 제 2 밸브(410)의 밸브 스템이 챔버(120)내로 연장되는 것을 허용하지만 제 2 밸브(410)의 입구 통로(414)는 O-링(416)에 의해 챔버(120)로부터 분리된다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 챔버(120)로부터 제 2 밸브(410')의 통로(414)를 분리하기 위해 O-링 대신에 가요성 격벽(flexible diaphragm;430)이 사용될 수 있다. 밸브(410')의 밸브 스템(202')은 격벽(430)상에서 지지될 수 있고, 격벽(430)의 아래쪽에 범퍼(bumper;432)가 부착된다. 가요성 격벽(430)은 범퍼(432)가 가요성 박막(118)에 의해 위쪽으로 가압 되는 경우 범퍼(432)가 상향력을 받아 지지 구조물(114)내의 통공(210')내부로 삽입될 수 있을 정도로 충분히 탄성적이며, 따라서 밸브 스템(202')에 상향력을 가하여 제 2 밸브(410')가 작동하도록 한다.
다른 실시예인 도 8을 참고하면, 캐리어 헤드(100c)는 챔버(120, 108) 사이에서 연속하여 접속된 두개의 밸브(500, 510)를 포함한다. 본 실시예는 1998년 12월 30일자로출원되어 계류중인 중인 미국 출원 번호 제 60/114,182에서 논의된 캐리어 헤드에 대해 적합하다. 본 실시예에서, 밸브(500, 510)는 휨링(152')과 고리형 짐벌 고정(158) 사이에서 형성되며, 짐벌 로드 및 휨링을 통과하는 다중의 유체 통로는 필요하지 않는다. 제 1 밸브(500)는 챔버(120)를 밸브 스템(506) 주위의 휨링(152')내의 채널(508)을 경유하여 제 1 밸브 챔버(502)에 유체적으로 접속시키며, 제 2 밸브(510)는 챔버(108)를 밸브 스템(516) 주위의 짐벌 고정(158) 내의 채널(518)을 경유하여 제 2 밸브 챔버(512)에 유체적으로 접속시키며, 제 1 밸브 챔버(502)는 도시되지 않은 통로에 의해 제 2 밸브 챔버(512)에 접속한다. 제 1 밸브(500)는 스프링(504)에 의해 편향된 개방상태이며, 제 2 밸브는 스프링(514)에 의해 편향된 밀폐상태이다. 하부 챔버(120)가 진공 상태가 되고 기판이 캐리어 헤드에 진공-고정되는 경우, 이때 제 1 밸브(500)의 밸브 스템(506)은 제 1 밸브를 밀폐하기 위하여 짐벌 고정(158)에 대해 O-링(506)을 가압 하도록 작동하며, 챔버(108)내의 압력은 일정한 상태로 유지된다. 반면, 하부 챔버(120)가 진공상태이나 기판이 존재하지 않는 경우, 이때 제 1 밸브(500)는 개방된 상태로 유지된다. 챔버(120)가 진공상태가 된 때 적재 챔버(108)가 또한 진공상태가 된 경우 예를 들면 완전한 기판 받침용 조립체 전체 및 보유 링을 연마패드로부터 들어올리기 위해, 이때 밸브 스템(516)은 하우징 허브(102)에 대해 가압된다. 이는 짐벌 고정(158)에 대해 O-링을 가압 하는 스프링(514)으로부터의 상향력을 극복하는 하향력을 밸브 스템 위에 생성시키며, 제 2 밸브(510)를 개방시키며 따라서 적재 챔버(108)를 하부 챔버(120)에 접속시킨다. 이때 유체는 하부 챔버(120)를 경유하여 적재 챔버(108)의 외부로 유동한다. 반면, 챔버(120)가 소개된 때 적재 챔버(108)가 가압된 경우, 예를 들면 연마 동안의 기판 위의 접촉 면적 및 압력을 제어하기 위해, 밸브(510)는 밀폐된 상태로 유지된다. 예컨대, 밸브 조립체는 기판이 존재하지 않고 챔버(108)가 진공 상태인 경우에만 적재 챔버(108)가 하부 챔버(120)에 접속하도록 작동한다. 하부 챔버(120)내의 압력 강하는 압력 게이지(52c)에 의해 감지되며 이는 기판이 존재하지 않음을 표시한다.
대안적으로, 캐리어 헤드(100c)는 기판이 존재하는 경우 챔버(120)가 진공상태가 되는 때에 개방되는 하나의 밸브를 포함한다. 이와 같은 경우, 펌프 또는 압력원으로부터 챔버(108)를 분리하는 밸브는 여전히 개방상태로 유지되어 챔버(120)가 완전히 소개되지 못하므로, 따라서 기판이 과도하게 응력을 받거나 손상되도록 하는 챔버(120)내로의 박막의 과도한 끌어당김을 방지한다.
비록 몇몇 실시예에서 밸브는 하부 챔버(120)를 블래더(160)에 접속하는 것으로 기술되었지만, 밸브는 캐리어 헤드내의 어떠한 2개의 챔버를 접속시키는데 사용될 수 있으며, 또는 밸브는 캐리어 헤드내의 챔버가 주위대기와 접속하도록 할 수 있다. 더욱이, 밸브는 편향되어 개방되거나 밀폐되며, 이로서 기판의 존재는 밸브가 작동될 때 밸브를 밀폐하거나 개방시킨다. 밸브는 휨링보다 캐리어 헤드의 부분 내에 위치한다. 또한, 유체 접속을 제공하도록 캐리어 헤드를 통과하여 형성된 통로는 예시적이다. 예를 들면, 하우징 허브 및 베이스 링 위의 고정물에 결합된 가요성의 호스에 의해 유체 연통이 제공될 수 있고, 제 1 통로는 베이스 링 위의 고정물을 밸브 챔버에 접속하며, 제 2 통로는 밸브 챔버를 블래더에 접속할 수 있다.
본 발명은 다수의 바람직한 실시예에 의하여 기술되었다. 그러나 본 발명은 여기서 묘사되고 기술된 실시예에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 한정된다.
본 발명에 따르면 캐리어 헤드 내에 기판의 존재를 신뢰성 있게 인지할 수 있는 CMP 시스템이 제공된다. 특히 캐리어 헤드 내측부가 슬러리에 의한 오염 없이 작동하는 시스템이 제공된다.

Claims (14)

  1. 캐리어 헤드에 있어서,
    베이스,
    제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부면을 갖는 가요성 박막, 및
    기판 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 밸브를 포함하며,
    상기 제 1 챔버가 진공상태가 되는 때에 기판이 상기 가요성 박막의 하부면에 부착하는 경우, 상기 밸브가 상기 기판 감지 시스템에 대한 신호를 생성게끔 작동하도록 하기위해, 상기 밸브가 상기 가요성 박막의 상부면과 접촉하는 밸브 스템을 포함하는 캐리어 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 제 1 챔버와 제 2 쳄버를 유체적으로 연결하는 통로내에 위치하는 캐리어 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 밀폐 위치로 편향되고, 상기 밸브를 작동함으로써 상기 밸브를 개방하는 캐리어 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 개방 위치로 편향되고, 상기 밸브를 작동함으로써 상기 밸브를 밀폐하는 캐리어 헤드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 스템이 지지 구조물내의 통공을 통과하여 연장하는 캐리어 헤드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 밸브 스템이 상기 지지 구조물의 하부면을 근소하게 지나쳐서 연장하는 캐리어 헤드.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 지지 구조물이 상기 베이스에 대해 이동 가능한 캐리어 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브가 스프링에 의해 편향되며, 상기 기판이 부착되지 않은 경우 상기 스프링으로부터의 힘이 가요성 박막으로부터의 힘과 상쇄되기에 충분하나 상기 기판이 부착된 경우 가요성 박막으로부터의 힘과 상쇄되기에 불충분하도록 상기 스프링의 스프링 상수가 선택되어지는 캐리어 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 스템이 상기 제 1 챔버가 소개되는 경우 상기 가요성 박막의 상기 상부면에 접촉하는 캐리어 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 가요성 박막이 상기 기판이 존재하지 않는 경우 상기 밸브의 하부 주위를 에워싸는 캐리어 헤드.
  11. 캐리어 헤드에 있어서,
    베이스,
    제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부면을 갖는 가요성 박막, 및
    기판 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 밸브를 포함하며,
    상기 밸브는 지지 표면을 지나서 돌출하는 밸브 스템을 포함하고, 이로써 상기 제 1 챔버가 소개되고 기판이 상기 가요성 박막의 하부면에 부착되는 경우, 상기 기판은 상기 지지 표면과 접촉하며 상기 밸브를 작동시키는 캐리어 헤드.
  12. 캐리어 헤드에 있어서,
    베이스,
    제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부면을 갖는 가요성 박막, 및
    웨이퍼 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 다수의 밸브를 포함하며,
    상기 제 1 챔버가 소개된 때 기판이 상기 가요성 박막에 부착되는 경우, 상기 밸브들 중 일부가 작동함으로써 상기 웨이퍼 감지 시스템에 대한 신호를 생성할 수 있는 캐리어 헤드.
  13. 캐리어 헤드에 있어서,
    베이스,
    제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부면을 갖는 가요성 박막, 및
    웨이퍼 감지 시스템의 일부를 형성하는 캐리어 헤드내의 다수의 밸브를 포함하며,
    상기 제 1 챔버가 소개된 때 기판이 상기 가요성 박막에 부착되는 경우, 상기 웨이퍼 감지 시스템에 대한 신호를 생성하기 위하여 상기 밸브 모두가 작동하여야 하는 캐리어 헤드.
  14. 캐리어 헤드에 있어서,
    베이스,
    제 1 챔버를 형성하고 기판 수용면을 제공하는 하부면을 갖는 가요성 박막,
    제 2 챔버,
    상기 제 1 및 제 2 챔버 사이의 상기 베이스를 통과하는 통로,
    상기 통로를 편향 개방하고, 상기 제 1 챔버가 소개되고 기판이 상기 가요성 박막에 부착되는 경우 상기 통로를 밀폐하도록 작동하는 제 1 밸브, 및
    상기 제 1 밸브에 직렬로 접속되어 있는 제 2 밸브를 포함하며,
    상기 제 2 밸브는 상기 통로를 편향 밀폐하고, 상기 제 2 챔버가 소개될 때에 상기 통로를 개방하도록 작동하는 캐리어 헤드.
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