KR20050037514A - 부분막 캐리어 헤드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐리어 헤드에 관한 것으로서, 상기 캐리어 헤드는 중앙부에 형성된 개구부를 갖는 메탈 플레이트를 구비하고 있다. 상기 메탈 플레이트는 CMP 공정 동안에 웨이퍼의 후방 측면과 마주하는 웨이퍼 측면과, 비웨이퍼 측면을 구비하고 있다. 상기 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면의 상부와 메탈 플레이트 내의 개구부 상부에는 공기 주머니 또는 박막이 형성되어 있다. 연마 공정 동안 균일성을 향상시키기 위하여, CMP 공정에서 이용되는 연마 압력과 동등한 공기 팽창 압력이 상기 공기 주머니 또는 박막에 인가된다. 웨이퍼의 이송을 가능하게 하기 위하여, 웨이퍼를 캐리어 헤드에 부착시켜 소정의 압력이 메탈 플레이트 내의 개구부로 인가된다. 더욱이, 웨이퍼를 상기 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 공기 주머니공기 주머니박막이 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 돌출될 수 있도록 공기 팽창된다.
Description
본 발명은 씨엠피(CMP; chemical mechanical planarization) 평탄화 공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 CMP 평탄화 공정용 부분막 캐리어 헤드(carrier head)에 관한 것이다.
반도체 소자 제조에 있어서 평탄화 작업들이 실시되는데, 상기 평탄화 작업은 연마(polishing), 버핑(buffing) 및 웨이퍼 세척(wafer cleaning)의 공정으로 이루어진다. 일반적으로, 집적회로 소자들은 다층 구조의 형태로 되어 있다. 기판 층에는 확산 영역(diffusion regions)을 갖는 트랜지스터 소자들이 형성된다. 그 다음 층들에는 인터커넥트 금속 배선 라인(interconnect metal line)들이 패턴 형성되어 있으며, 소정의 기능 소자들을 형성하기 위하여 트랜지스터 소자들에 전기적으로 연결되어 있다. 패턴 형성된 도전층은 실리콘 산화막(silicon dioxide)과 같은 유전 물질에 의하여 다른 도전층들로부터 절연되어 있다.
금속 배선층의 수와 이와 관련된 유전체층들이 더 많이 형성되어 다층 배선을 이룰수록 유전 물질을 평탄화시켜야하는 필요성이 증가한다. 만약 평탄화 공정이 실시되지 않는다면 표면 토폴로지(surface topography)의 높은 단차로 인하여, 금속 배선층들을 추가적으로 제조하는 것이 힘들어지게 된다. 또한, 다른 응용예에 있어서 금속 배선 라인 패턴들이 유전 물질에 형성되면 과도한 금속층을 제거하기 위해 평탄화 공정이 진행된다. 또 다른 응용예로서, 얕은 트렌치 소자 격리(shallow trench isolation) 또는 폴리메탈(polymetal) 격리용으로 사용되는 유전체들과 같이 금속 배선 형성 공정 이전에 증착되는 유전막의 평탄화가 있다. 반도체 웨이퍼 평탄화를 구현하기 위한 한 방법이 CMP 평탄화 공정이다.
일반적으로, CMP 평탄화 공정은 제어된 압력과 제어된 상대 속도 하에서, 회전하는 웨이퍼를 붙잡고 움직이는 연마 패드(moving polishing pad)에 마찰시켜 연마하는 공정이다. CMP 평탄화 장비 시스템은 일반적으로 괘도(orbital), 벨트 또는 브러시 스테이션(brush stations)을 구비하며, 상기 시스템 내에서 패드 또는 브러시 웨이퍼의 일면 또는 양면을 세척(scrub), 버핑 연마(buff) 및 연마(polish)하기 위하여 사용된다. 또한, CMP 평탄화 공정을 더욱 효율적으로 하기 위하여 슬러리(slurry)가 이용된다. 이 때에, 슬러리는 일반적으로 움직이는 연마 가공면(moving preparation surface) 위로 투입되고, 상기 연마 가공면뿐만 아니라 CMP 공정에 의하여 버핑 및 연마되는 반도체 웨이퍼의 표면으로도 공급된다.
이 때에, 슬러리의 공급은 연마 가공면의 움직임과 반도체 웨이퍼의 움직임 및 반도체 웨이퍼와 연마 가공면 사이의 마찰에 의하여 수행된다.
도1a는 종래 기술에 따라 테이블에 설치된 CMP 평탄화 장치(50)를 도시하는 도면이다. 상기 종래 기술에 따라 테이블에 설치된 CMP 평탄화 장치(50)는 웨이퍼(54)를 지지하며, 이동암(translation arm; 64)에 부착된 캐리어 헤드(52)를 구비하고 있다. 또한, 테이블에 설치된 CMP 평탄화 장치(50)는 연마 테이블(58) 위에 설치되는 연마 패드(56)를 구비하고 있으며, 상기 연마 테이블(58)은 연마 압반(polishing platen)에 해당한다.
평탄화 동작을 살펴보면, 캐리어 헤드(52)는 웨이퍼(54)에 힘을 하향 인가하며, 상기 웨이퍼는 연마 패드(56)에 밀착하게 된다. 이 때, 연마 테이블(58)은 항력을 작용시켜 연마 테이블(56)은 캐리어 헤드(52)가 인가하는 하향 힘을 버티는 작용을 한다. 연마 패드(56)는 웨이퍼(54)를 연마하기 위하여 사용되는 슬러리와 함께 사용된다. 일반적으로, 연마 패드(56)는 기포 폴리우레탄(foamed polyurethane) 또는 홈면(grooved surface)을 갖는 폴리우레탄 시트(sheet)로 구성된다. 그리고, 연마 패드(56)는 연마제 및 다른 연마 화학 물질을 구비한 연마 슬러리에 의하여 젖은 상태가 된다. 연마 테이블(58)은 그 중심축(60)을 중심으로 회전하게 되며, 캐리어 헤드(52)는 그 중심축(62)을 중심으로 회전하게 된다. 더욱이, 연마 헤드는 이동암(64)을 이용하여 연마 패드(56) 면을 가로질러 이동하게 된다. 전술한 테이블에 설치된 CMP 평탄화 장치(50)에 추가해서 선형 벨트 CMP 평탄화 시스템이 CMP 공정을 수행하기 위하여 일반적으로 사용된다.
도1b는 종래 기술에 따른 선형 웨이퍼 연마 장치(100)의 측면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 선형 웨이퍼 연마 장치(100)는 캐리어 헤드(108)를 구비하고 있으며, 상기 캐리어 헤드(108)는 공정 작업 동안에 웨이퍼(104)를 제 위치에 있도록 고정 지지한다. 연마 패드(102)는 회전하는 드럼(112) 주위에서 연속 루프를 형성하며, 분당 약 400 피트의 속도로 화살표 방향(106)으로 이동한다. 여기서, 상기 속도는 CMP 평탄화 동작에 따라 변한다. 연마 패드(102)가 이동함에 따라, 캐리어 헤드(108)는 회전하게 되고 웨이퍼(104)를 연마 패드(102)의 상부면으로 소정의 압력과 함께 낮추는 일을 하게 된다.
베어링 압반 메니폴드(bearing platen manifold; 110)는 연마 공정 동안에 연마 패드(102)를 지지하는 역할을 한다. 압반 매니폴드 어셈블리(110)는 유체 베어링 또는 가스 베어링과 같은 소정 유형의 베어링을 사용하게 된다. 압반 매니폴드 어셈블리(110)는 압반 주변 플레이트(platen surround plate; 116)에 의하여 제 위치에 지지 고정된다. 가스 소스(114)로부터의 가스 압력은 연마 패드 구성을 제어하기 위하여 연마 패드(102) 상에 상향 힘을 인가하여 각각 독립적으로 제어되는 복수 개의 출력 홀(output holes)을 경유하여 압반 매니폴드 어셈블리(110)를 통하여 입력된다.
효율적인 CMP 공정은 높은 연마 속도를 가지며, 마감성이 뛰어난 즉 소규모의 거칠기를 지니지 않은 기판 표면과, 대규모의 토포그래피를 갖지 않는 평탄성을 지닌다. 연마율, 마감 작업 및 평탄도는 패드 및 슬러리 조합, 기판 및 패드 사이의 상대 속도와, 기판을 패드에 대하여 누르는 힘에 의하여 결정된다.
연마율은 기판을 패드에 대하여 누르는 힘에 의하여 결정된다. 보다 구체적으로는, 상기 힘이 높을 수록 연마율은 높아진다. 만약 캐리어 헤드가 균일하지 않은 부하를 인가한다면, 즉 캐리어 헤드가 다른 영역과 비교하여 기판의 특정 영역에 보다 적은 힘을 인가한다면, 낮은 압력 영역이 높은 압력 영역보다 보다 천천히 연마된다. 따라서, 균일하지 않은 부하는 기판의 불균일 연마를 발생시키게 된다.
도2는 종래의 캐리어 헤드(108)를 도시하는 도면으로서, 상기 캐리어 헤드(108)는 연마 공정 동안에 웨이퍼를 제 위치에 고정하기 위한 고정 링(200)에 의하여 둘러싸여진 스테인레스 스틸 플레이트(stainless steel plate; 도시하지 않음)를 포함하고 있다. 여기서, 캐리어 막(202)은 스테인레스 스틸 플레이트를 덮고 있으며, 지탱 링(200)에 의해 둘러 싸여 있다. 그리고, 진공 구멍(204)들이 스테인레스 스틸 플레이트 내에 형성되며, 캐리어 막(202) 내의 해당하는 위치에 형성된다.
캐리어 막(202)은 웨이퍼 연마 공정 동안에 압력을 흡수하는 역할을 가지며, 웨이퍼 표면에 고온 압점(high hot pressure spots)들이 발생하는 것을 예방한다. 본 발명 개시에 있어서, "고온 압점"이라는 용어는 웨이퍼 기판 표면 영역을 의미하며, 하향 압력이 증가하면 상기 웨이퍼 표면 영역에 대한 식각률을 증가시킨다. 따라서, 고온 압점은 CMP 평탄화 공정 동안에 불균일성 문제를 낳게 되는데, 이는 캐리어 막(202)을 사용함으로서 예방할 수 있다.
웨이퍼를 공정 처리하는 동안에, 웨이퍼는 한 스테이션으로부터 옆의 스테이션으로 이송되어야 한다. 웨이퍼를 이송시키기 위하여, 캐리어 헤드(108)는 캐리어 헤드(108)가 웨이퍼를 집거나 놓을 수 있도록 하는 진공 구멍(204)들을 구비하고 있다. 예를 들면, 웨이퍼 제조 공정에 있어서 연마 작업을 완료한 이후에, 캐리어 헤드(108)는 웨이퍼를 연마 벨트의 표면으로부터 다음 스테이션으로 이송시킨다. 그렇지만, 웨이퍼는 연마 벨트와 정지 마찰(stiction) 문제를 야기한다. 즉, 연마 벨트 표면의 폴리우레탄 및 슬러리의 조합은 웨이퍼가 연마 벨트의 표면에 종종 붙어 버리는 문제를 발생한다. 이와 같이 웨이퍼가 붙은 것을 떼어 내기 위하여, 캐리어 헤드(108)는 소정의 진공을 진공 구멍(204)을 통하여 웨이퍼의 뒷면으로 인가하는 역할을 한다.
이 때, 상기 진공은 캐리어 헤드(108)가 연마 벨트의 표면으로부터 웨이퍼를 들어올리는 역할을 한다. 웨이퍼를 다음 웨이퍼 제조 스테이션으로 이송시키고 난 이후에, 캐리어 헤드(108)는 웨이퍼를 캐리어 헤드(108)의 캐리어 막(202)으로부터 떼어내기 위하여 진공 구멍(204)들을 통하여 순방향으로 공기를 주입하게 된다. 그러나, 불행하게도 캐리어 헤드(108)의 진공 구멍(204)들은 웨이퍼 표면에서 낮는 식각율을 발생시켜, 불균일한 결함들을 만들게 된다.
도3은 종래의 캐리어 헤드를 이용하는 CMP 평탄화 작업으로부터 얻어진 웨이퍼(104)를 도시한다. CMP 평탄화 공정 동안에, 캐리어 헤드 상에 형성된 캐리어 막은 젖어 있다. 그렇지만, 진공이 캐리어 헤드 진공 구멍들을 통하여 인가되면, 진공 구멍들 주위의 캐리어 막을 건조시키게 된다. 따라서, 진공 구멍들의 영역에서 캐리어 막이 더욱 부드럽게 된다. 진공 구멍들 영역에는 직접적인 웨이퍼 지지 수단이 없다.
따라서, 건조한 캐리어 막으로 인하여, 더욱이 진공 구멍 영역에서의 웨이퍼 지지수단이 존재하지 않기 때문에, 낮은 식각률 진공 구멍 영역(300)이 웨이퍼(104)의 표면에서 발생하게 된다. 결과적으로 발생하는 비균일도로 인하여 종종 전체 웨이퍼를 폐기해야 하는 일이 발생하며, 웨이퍼 상에 설치된 소자들에 대단히 나쁜 영향을 줄 수 있다. 더욱이, 종래의 캐리어 헤드의 진공 구멍들은 진공이 된 상태에서 진공이 슬러리 내에서 기구적인 작용을 할 수 있도록 한다. 이러한 슬러리는 기구의 내부 구조 내에서 작용을 하게 된다.
캐리어 헤드는 웨이퍼의 표면에서 낮은 식각률 진공 구멍 영역을 방지하기 위하여 개발되었다. 예를 들면, 종래의 한개의 캐리어 헤드는 CMP 공정 동안에 웨이퍼의 뒷면에 하부 방향의 힘을 인가하기 위하여 스테인레스 스틸 플레이트의 위치에 팽창 가능한 공기 주머니(inflatable bladder)를 구비한다. 그렇지만, 이와 같은 팽창 가능한 공기 주머니 CMP 공정을 복잡하게 만드는 플로팅 지탱 링(floating retaining ring)을 필요로 한다. 더욱이, 플로팅 지탱 링은 바람직하지 않은 에지 효과(edge effects)를 만들게 되고, 웨이퍼의 에지에서의 식각률은 웨이퍼의 나머지 부분과 비교하여 대단히 높다.
전술한 설명을 고려할 때에, 웨이퍼의 표면에서 낮은 식각률 진공 구멍 영역을 예방할 수 있는 캐리어 헤드가 필요하다. 캐리어 헤드는 다양한 유형의 CMP 시스템에서 사용 가능하여야 하며, 과도한 실험 공정 및 공학 기술을 필요로 해서는 안된다. 특히, 캐리어 헤드는 플로팅 지탱 링과 같은 대단히 복잡한 시스템을 필요로 해서는 안되며, CMP 공정 동안에 균일한 웨이퍼 표면을 제조할 수 있어야 한다.
도1a는 종래의 테이블에 설치된 CMP 평탄화 장치를 도시하는 도면이다.
도1b는 종래의 선형 웨이퍼 연마 장치의 측면도이다.
도2는 종래의 캐리어 헤드를 도시하는 도면이다.
도3은 종래의 캐리어 헤드를 이용한 CMP 작업에 의하여 얻어진 웨이퍼를 도시하는 도면이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 부분막 캐리어 헤드의 하부도이다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 부분막 캐리어 헤드의 측면도이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따라 웨이퍼 이송 동안의 부분막 캐리어 헤드의 측면도이다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따라 박막을 이용한 부분막 캐리어 헤드의 측면도이다.
도8은 본 발명의 일실시예에 따라 웨이퍼 이송 동안의 박막을 이용한 부분막 캐리어 헤드의 측면도이다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼의 표면에서 낮은 식각률 진공 구멍 영역을 예방할 수 있도록 부분막 캐리어 헤드를 제공함으로써 상기 필요성을 충족시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들은 캐리어 헤드에 형성된 복수 개의 진공 구멍 대신에 크기가 큰 중심 진공 구멍을 사용하였다. 연마 공정 동안에, 공기 주머니 또는 박막은 진공 구멍 영역이 연마 압력과 동일해지도록 중심 진공 구멍의 영역 내에서 팽창된다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예로서 캐리어 헤드는 중앙부에 형성된 개구부를 갖는 메탈 플레이트(metal plate)를 구비하고 있다. 메탈 플레이트는 CMP 평탄화 작업 동안에는 웨이퍼의 반대 측면과 마주하는 웨이퍼 측면(wafer side)과, 비웨이퍼 측면(non-wafer side)을 구비하고 있다. 공기 주머니(bladder)가 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면 상부에 위치하고 있으며, 메탈 플레이트 내의 개구부 상부에 위치하고 있다. 연마 공정 동안에 균일성을 향상시키기 위하여, CMP 작업 동안에 이용되는 연마 압력과 동일한 공기 팽창 압력이 공기 주머니에 인가된다.
캐리어 헤드는 캐리어 막(carrier film)을 더 구비하며, 상기 캐리어 막은 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면상에 위치한다. 캐리어 막은 CMP 작업 동안에 메탈 플레이트와 웨이퍼의 뒷면 사이에 위치한다. 여기서, 메탈 플레이트 및 공기 주머니는 캐리어 막에 균일한 힘을 인가한다. 웨이퍼를 이송시키기 위하여, 웨이퍼를 캐리어 헤드에 부착시키기 위하여 소정의 진공을 메탈 플레이트 내의 개구부에 인가된다.
진공이 메탈 플레이트 내의 개구부에 인가될때, 팽창된 공기 주머니의 공기가 빠지게 된다. 더욱이, 캐리어 헤드로부터 웨이퍼를 분리하기 위하여, 공기 주머니는 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 팽창될 수 있다.
CMP 공정에 사용될 수 있는 또 다른 형태의 캐리어 헤드는 본 발명의 또 다른 실시예에 개시되어 있다. 상기 캐리어 헤드는 중앙부에 형성된 개구부를 갖는 메탈 플레이트를 구비하고 있다. 상기 메탈 플레이트는 CMP 평탄화 작업 동안에 웨이퍼의 후방 측면과 마주하는 웨이퍼 측면과, 비웨이퍼 측면을 구비하고 있다. 박막(membrane)이 상기 메탈 플레이트의 비웨이퍼 측면의 상부와, 상기 메탈 플레이트 내의 개구부 상부에 위치하고 있다. 연마 공정 동안의 균일성을 향상시키기 위하여, CMP 평탄화 작업 동안에 이용되는 연마 압력과 동일한 소정의 압력이 막에 제공된다.
캐리어 헤드는 캐리어 막을 구비하며, 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면에 위치하고 있다. 캐리어 막은 CMP 평탄화 작업 동안에 메탈 플레이트와 웨이퍼의 뒷면 사이에 위치한다. 여기서, 메탈 플레이트와 박막(membrane)은 캐리어 막에 균일한 힘을 전달한다. 웨이퍼의 이송을 가능하도록 하기 위하여 소정의 진공이 메탈 플레이트 내의 개구부에 인가되어 웨이퍼를 캐리어 헤드에 부착시킬 수 있다. 그리고, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 분리 압력이 박막으로 인가됨에 따라 박막을 메탈 플레이트의 개구부를 통하여 인가된 분리 압력에 의하여 돌출되도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 CMP 공정 중에 웨이퍼를 연마하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 중앙부에 형성된 개구부를 갖는 메탈 플레이트와, 상기 메탈 플레이트 내의 개구부 상부에 위치하는 공기 주머니(bladder)를 구비하는 캐리어 헤드 상에 웨이퍼를 위치시키기는 단계를 포함한다. 상기 공기 주머니는 웨이퍼가 위치하는 측면과 반대되는 메탈 플레이트의 측면에 위치한다. 상기 웨이퍼는 캐리어 헤드에 의하여 소정의 연마 압력과 함께 연마 표면으로 이동한다.
상기 공기 주머니는 상기 연마 압력과 동일한 압력을 갖도록 팽창되며, 그리고 웨이퍼의 표면은 연마된다. 전술한 내용과 유사하게, 캐리어 막은 메탈 플레이트와 웨이퍼의 후방 측면 사이에 위치하여, 메탈 플레이트와 공기 주머니는 균일한 힘을 캐리어 막에 전달하게 된다. 웨이퍼의 이송을 가능하도록 하기 위하여, 웨이퍼를 캐리어 헤드에 부착하기 위하여 소정의 진공이 매탈 플레이트 내의 개구부에 인가될 수 있다. 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 공기 주머니가 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 돌출될 수 있도록 공기 주머니는 공기 팽창된다.
본 발명의 실시예들은 웨이퍼 표면에 낮은 식각률 진공 구멍 영역을 형성하지 않고도 웨이퍼를 연마할 수 있는 장점을 가진다. 특히, 복수 개의 진공 구멍들이 제거되기 때문에, 상기의 영역들에서 낮은 식각률 진공 구멍 영역들이 웨이퍼 표면 상에 형성되지 않는다. 그리고, 연마 공정 동안에 공기 주머니와 박막은 중앙에 위치한 진공 구멍의 영역에 압력을 제공하게 된다. 따라서, 낮은 식각률 진공 구멍 영역이 중앙에 위치한 진공 구멍의 영역의 웨이퍼 표면에서 발생하지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 특징들과 장점들은 본 발명의 요지를 실시예로서 도시하는 첨부된 도면과 함께 아래의 상세한 설명에서 보다 분명해질 것이다.
본 발명은 웨이퍼의 표면에서 낮은 식각률 진공 구멍 영역을 가지지 않는 부분막 캐리어 헤드를 개시하고 있다. 본 발명에 따른 실시예의 부분막 캐리어 헤드는 캐리어 헤드 상에 형성된 종래의 복수 개의 진공 구멍들 대신에, 보다 큰 중앙 진공 구멍을 구비하고 있다. 연마 공정 동안에, 진공 구멍 영역에서의 압력이 캐리어 헤드를 경유하여 웨이퍼로 이송되는 하향의 힘으로 작용하는 연마 압력과 동일하도록, 공기 주머니 또는 박막(membrane)은 중앙 진공 구멍 영역에서 팽창된다. 아래의 설명에서, 본 발명을 충분히 이해할 수 있도록 많은 구체적인 설명들이 제공되어 있다. 본 발명이 이러한 구체적인 설명 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 다른 실시예에 있어서도, 불필요하게 본 발명 요지를 모호하게 할 수 있다고 판단되는 공지 기술들은 부연 설명되지 않는다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분막 캐리어 헤드(400)의 하부도이다. 캐리어 헤드(400)는 지탱 링(retaining ring; 404)에 의하여 감싸진 스테인레스 스틸 플레이트(402)를 구비하고 있다. 상기 지탱 링은 연마 공정 동안에 웨이퍼를 제 위치에 있도록 고정하는 역할을 한다. 실제적으로 연마 공정 동안에, 캐리어 막(도시하지 않음)은 스테인레스 스틸 플레이트의 웨이퍼 상부면에, 구체적으로는 스테인레스 스틸 플레이트(402) 및 웨이퍼의 후방 측면 사이에 위치하고 있다. 캐리어 막은 웨이퍼 공정 동안에 압력을 흡수할 수 있도록 설계되어, 웨이퍼 표면에서 고온 압점(hot pressure spots)이 발생하는 것을 막는다. 위에서 기술된 바와 같이, 고온 압점들은 CMP 평탄화 공정 동안에 불균일성 문제를 야기할 수 있지만, 전술한 문제들은 캐리어막을 사용하여 예방할 수 있다.
개구부(406)가 스테인레스 스틸 플레이트의 중심부에 형성되어 있으며, 그 상부에는 공기 주머니(408)가 위치하고 있다. 본 발명에 따른 실시예들에서는, 캐리어 헤드에 형성된 복수 개의 진공 구멍들 대신에, 보다 큰 중앙 진공 구멍(406)을 구비하고 있다. 연마 공정 동안에, 진공 구멍 영역에서의 압력이 캐리어 헤드를 경유하여 웨이퍼로 인가되는 하향 힘으로 작용하는 연마 압력과 동일해지도록, 공기 주머니(408)가 중앙 진공 구멍(406)의 영역에서 팽창된다. 이와 같은 방법으로, 메탈 플레이트 및 공기 주머니는 균일한 힘을 캐리어 헤드에 제공하게 된다. 일반적으로, 300 mm 웨이퍼의 경우에 있어서는, 진공 구멍(406)은 약 1인치 내지 약 3인치 범위의 직경을 갖는다.
전술한 설명에 있어서, 캐리어 헤드(400)가 스테인레스 스틸 플레이트를 이용하는 것으로 설명되었지만, 소정의 힘을 웨이퍼로 인가할 수 있는 어떤 종류의 재료도 사용될 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 다른 재료들, 플라스틱 재료들 또는 CMP 평탄화 공정에서의 캐리어 헤드에 사용될 수 있는 어떤 다른 재료들이 스테인레스 스틸 대신에 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 공기 주머니(408)는 웨이퍼의 후방 측면에 소정의 압력을 작용할 수 있는 소정 유형의 재료를 구비할 수 있다. 예를 들면, 공기 주머니는 스테인레스 스틸 플레이트(402) 내에 형성된 개구부(406)를 통하여 압력을 인가할 수 있는 고무, 폴리우레탄 또는 소정의 물질을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 지탱 링(404)은 고정 지탱 링이며, CMP 공정 동안에는 이동하지 않는다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 CMP 평탄화 작업 동안에 웨이퍼를 제 위치에 고정할 수 있는 소정의 유형을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 지탱 링은 웨이퍼 연마 공정 동안에 연마 벨트의 형상을 조정하기 위하여 활성화될 수 있다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 부분막 캐리어 헤드(400)의 측면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(400)는 지탱 링(404)에 의하여 둘러싸인 스테인레스 스틸 플레이트(402)를 구비하고 있으며, 상기 지탱 링은 연마 공정 동안에 웨이퍼(502)를 제위치에 고정시키는 작용을 한다. 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 웨이퍼 측면에 위치하고 있다. 특히, 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402) 및 웨이퍼(502)의 후방 측면 사이에 위치하고 있다.
개구부(406)는 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 중앙부에 형성되어 있으며, 그 위에는 공기 주머니(408)가 위치하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기 주머니(408)는 진공실(506) 내에 위치하고 있으며, 상기 진공실은 웨이퍼(502)가 이동하는 동안에, 완전 또는 동적인 진공 환경을 제공한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서는 웨이퍼 헤드 상의 복수 개의 진공 구멍들 대신에 보다 큰 중앙 진공 구멍(406)을 구비한다. 연마 공정 동안에, 진공 구멍 영역 내의 압력이 연마 압력과 동일하도록, 공기 주머니(406)는 중앙 진공 구멍(406)의 영역 내에서 팽창된다.
보다 구체적으로는, 웨이퍼 연마 공정 동안에 캐리어 헤드(400)는 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504) 표면에 인가한다. 본 발명의 개시가 선형 CMP 시스템의 예로 설명되었지만, 본 발명의 실시예들은 테이블에 설치된 CMP 시스템 내에서 사용될 수 있다. 웨이퍼(502)의 후방 측면 상에 균일한 하부 방향의 압력을 제공하기 위하여, 공기 주머니(408)는 CMP 평탄화 공정 동안에 사용된 연마 압력과 동일한 압력으로 공기 팽창된다. 이와 같은 방법으로, 캐리어 막(500)을 경유하여 웨이퍼(502)에 인가된 힘은 공기 주머니(408)에 의하여 제공된 압력에 의하여, 진공 구멍(406)의 영역을 포함하여, 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 표면을 가로질러 균일하게 작용한다. CMP 평탄화 공정 동안의 웨이퍼(502)의 표면에서의 균일성을 더욱 개선하기 위하여, 본 발명의 양호한 실시예로서 웨이퍼(500)의 이송을 가능하게 한다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따라 웨이퍼 이동 동안의 부분막 캐리어 헤드(400)를 나타낸 측면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(400)는 지탱 링(404)에 의하여 둘러싸인 스테인레스 스틸 플레이트(402)를 구비하고 있으며, 상기 지탱 링은 연마 공정 동안에 웨이퍼(502)를 제 위치에 있도록 고정한다. 또한, 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 웨이퍼 측면 위에 즉, 스테인레스 스틸 플레이트(402) 및 웨이퍼(502)의 후방 측면 사이에 위치하고 있다.
중앙 진공 구멍(406)은 캐리어 헤드(400)가 웨이퍼(502)를 집거나 분리시킬 수 있도록 한다. 전술한 바와 같이, 연마 작업을 완료한 이후에 캐리어 헤드(400)는 웨이퍼 제조 공정 동안에 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504)의 표면으로부터 다음 스테이션으로 이송한다. 그러나, 웨이퍼가 종종 연마 벨트(504)와 정지 마찰(stiction) 문제를 일으킨다. 즉, 연마 벨트 표면의 폴리우레탄과 슬러리는 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504)의 표면에 붙게 만든다. 이와 같은 접착을 방지하기 위하여, 캐리어 헤드(400)는 소정의 진공을 중앙 진공 구멍(406)을 경유하여 웨이퍼의 뒷면에 인가한다. 여기서, 상기 진공은 캐리어 헤드(400)가 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504)의 표면으로부터 들어 올리는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 웨이퍼(502)를 들어 올릴 때는 팽창된 공기 주머니(408)에 공기가 빠져 나가며, 진공실(506) 내부는 진공 상태가 된다. 공기 주머니(408)는 시스템 개발자 및 시스템 운영자의 필요성에 따라 충분히 공기를 뺄 수 있으며 또는 부분적으로 공기를 뺄 수 있다. 일반적으로, 공기 주머니(408)는 진공실(506)의 진공이 캐리어 막(500)으로 이동할 수 있도록 공기를 뺀다. 캐리어 막(500)에 기공이 형성되어 있는 관계로, 진공은 진공 구멍(406) 및 캐리어 막(500)을 경유하여 웨이퍼(502)의 후방 측면으로 이동하게 된다. 이와 같은 방법으로, 진공에 따라 발생하는 캐리어 막(400)으로의 웨이퍼(502) 접착은 웨이퍼(502) 및 연마 벨트(504) 사이에서의 정지 마찰 문제를 극복할 수 있으며, 캐리어 헤드(400)가 웨이퍼(502)를 들어 올릴 수 있도록 한다.
일반적으로, 이송 공정 동안에는 웨이퍼(502)가 젖은 상태의 캐리어 막(500)에 접착되기 때문에, 웨이퍼(502)가 일단 연마 표면(504)으로부터 제거되면 진공은 소멸하게 된다. 따라서, 진공실(506)은 소정의 시간이 경과한 이후에 소멸할 수 있는 동적 진공(dynamic vacuum)을 만들 수 있도록 구현된다. 그리고, 진공 및 캐리어 막(500)은 연마 벨트(504)의 표면으로부터 웨이퍼(502)를 들어 올리는 것뿐만 아니라, 소정의 표면으로부터 웨이퍼를 들어올리는데 이용될 수 있다.
웨이퍼(502)를 해당하는 위치로 이송하고 난 이후에, 공기 주머니(408)가 진공 구멍(406)을 통하여 돌출될 수 있도록 공기 주머니(408)는 공기 팽창된다. 돌출된 공기 주머니(408)는 캐리어 막(500) 내에 자루 모양의 포켓을 만들게 되며, 상기 포켓은 캐리어 헤드(400)로부터 웨이퍼(502)를 이탈시키는 역할을 한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 진공 구멍(406)을 통하여 공기를 순방향으로 주입하여 웨이퍼(502)를 캐리어 헤드(400)로부터 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 웨이퍼 표면에 낮은 식각률 진공 구멍 영역들을 형성하지 않고, 상기의 캐리어 헤드(400)를 이용하여, 웨이퍼를 연마할 수 있는 장점이 있다. 특히, 복수개의 진공 구멍들이 제거되기 때문에, 낮은 식각률 구멍 영역들이 상기의 영역들에서 웨이퍼 표면에 형성되지 않는다. 더욱이, 공기 주머니(408)는 연마 공정 동안에 중앙 진공 구멍(406)의 영역에 소정의 압력을 인가한다. 따라서, 낮은 식각률 진공 구멍 영역이 중앙 진공 구멍(406)의 웨이퍼 표면에 형성되지 않는다. 본 발명의 실시예에서, 연마 공정 동안에 진공 구멍(406)에 압력을 인가하기 위하여 공기 주머니(408)를 사용할 뿐만 아니라 박막(membrane)을 이용할 수도 있다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따라 박막을 이용하는 부분막 캐리어 헤드(700)를 도시하는 측면도이다. 여기서, 캐리어 헤드(700)는 지탱 링(404)에 의하여 둘러싸인 스테인레스 스틸 플레이트(402)를 구비하며, 상기 지탱 링은 연마 공정 동안 웨이퍼(502)를 제 위치에 있도록 고정하는 기능을 한다. 그리고, 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 웨이퍼 측면 위에 위치하고 있다. 특히, 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402)와 웨이퍼(502)의 후방 측면 사이에 위치하고 있다.
개구부(406)는 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 중앙부에 형성되어 있으며, 그 상부에는 박막(702)이 형성되어 있다. 도6의 구성과 유사하게, 도7의 박막(702)은 진공실(506) 내부에 형성되어 있으며, 상기 진공실은 웨이퍼(502) 이송 동안에 충분한 그리고 동적인 진공 환경을 제공한다. 위에 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 캐리어 헤드 위에 형성된 복수 개의 진공 구멍들 대신에, 보다 큰 중앙 진공 구멍(406)을 구비하고 있다. 연마 공정 동안에 진공 구멍 영역에서의 압력이 연마 압력과 동일해지도록 소정의 압력이 중앙 진공 구멍(406)의 영역 내의 박막(702)으로 인가된다.
위에 언급한 바와 같이, 캐리어 헤드(400)는 웨이퍼 연마 공정 동안에, 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504)의 표면으로 이송하는 기능을 한다. 웨이퍼(502)의 후방 측면에 균일한 하향 힘을 인가하기 위하여, CMP 평탄화 공정 동안에 사용되는 연마 압력과 동일한 압력이 박막(702)에 인가된다. 이와 같은 방법으로, 캐리어 막(500)을 경유하여 웨이퍼(502)로 인가된 힘은 박막(702)에 의하여 제공된 압력의 도움으로 진공 구멍(406)의 영역 뿐만 아니라 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 표면에서 균일하게 작용한다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 이송 동안의 부분막 캐리어 헤드(700)의 측면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(700)는 지탱 링(404)에 의하여 둘러쌓인 스테인레스 스틸 플레이트(402)를 구비하며, 상기 지탱 링(404)은 연마 공정 동안 웨이퍼(502)를 제 위치에 있도록 고정하는 역할을 한다. 캐리어 막(500)은 스테인레스 스틸 플레이트(402)의 웨이퍼 측면, 즉 스테인레스 스틸 플레이트(402) 및 웨이퍼(502)의 후방 측면 사이에 위치하고 있다.
중앙 진공 구멍(406)은 캐리어 헤드(700)가 웨이퍼(502)를 집었다 떨어뜨릴 수 있도록 한다. 상기에 설명한 바와 같이, 웨이퍼(502)는 연마 벨트(504)와 정지 마찰 문제를 발생시킨다. 즉, 연마 벨트 표면의 폴리우레탄과 슬러리의 사용으로 웨이퍼(502)가 연마 벨트(504)의 표면에 접착된다. 이와 같은 접착을 예방하기 위하여, 캐리어 헤드(700)는 중앙 진공 구멍(406)을 경유하여 웨이퍼의 뒷면으로 진공을 인가한다. 상기의 진공은 캐리어 헤드(700)와 웨이퍼(502)를 연마 벨트(504)의 표면으로부터 들어 올리도록 한다.
구체적으로는, 웨이퍼(502)를 들어 올릴 때는, 소정의 진공이 진공실(506) 내에 발생된다. 상기 진공실(506) 내의 진공은 박막(702)을 캐리어 막(500) 및 웨이퍼 후방 측면으로부터 분리되도록 하는 기능을 한다. 진공실(506)의 진공은 캐리어 막(500)을 이동시킨다. 캐리어 막(500)에는 기공이 형성되어 있기 때문에, 진공은 진공 구멍(406) 및 캐리어 막(500)을 경유하여 웨이퍼(502)의 후방 측면으로 인가된다. 이와 같은 방법으로, 진공에 의하여 발생되는 웨이퍼(502)의 캐리어 헤드(700)로의 접착은 웨이퍼(502) 및 연마 벨트(504) 사이의 정지 마찰 문제를 해결하게 된다. 따라서, 캐리어 헤드(700)가 웨이퍼(502)를 들어 올리게 된다.
도6에 도시된 바와 같이, 이송 공정 동안에 웨이퍼(502)가 젖은 캐리어 막(500)에 접착되기 때문에, 웨이퍼(502)가 일단 연마 표면(504)으로부터 분리되면, 진공은 소멸하게 된다. 따라서, 진공실(506)은 소정의 시간 이후에 소멸되는 동적 진공을 발생시킴으로서 구현된다.
웨이퍼(502)를 해당 장소로 이송한 이후에, 캐리어 헤드(400)는 박막(702)이 진공 구멍(406)을 통하여 돌출되도록, 박막(702)에 소정의 압력을 가한다. 돌출된 박막(702)은 캐리어 막(500) 내에 소정 자루 형상의 포켓을 만든다. 상기 포켓은 웨이퍼(502)를 캐리어 헤드(400)로부터 분리시키는 기능을 한다. 상기에 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 진공 구멍(406)을 통하여 공기를 순방향으로 주입하여, 웨이퍼(502)를 캐리어 헤드(400)로부터 분리한다.
본 발명의 실시예에서는 복수개의 진공 구멍들이 제거되기 때문에, 낮은 식각률 진공 구멍 영역들이 도5 및 도6을 참조하여 설명한 실시예에 따른 공기 주머니를 이용하여, 웨이퍼 표면 상에 형성되지 않는다. 더욱이, 박막(702)은 연마 공정 동안에, 중앙 진공 구멍(406)의 영역에 소정의 압력을 제공한다. 따라서, 낮은 식각률 진공 구멍 영역이 중앙 진공 구멍(406)의 영역 내의 웨이퍼 표면에 형성되지 않는다.
상기 기술한 본 발명은 보다 명료한 이해를 목적으로 설명되었지만, 소정의 변경 및 수정들이 다음 청구항의 범위 내에서 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 제한적이지 않는 예시적인 것으로 제공되며, 본 발명은 본 명세서의 상세한 설명에 제한되지 않지만, 이하 청구항의 범위 및 동등 조건 범위 내에서 수정될 수 있다.
Claims (20)
- 웨이퍼 측면(wafer side)과 비웨이퍼 측면(non-wafer side)을 구비하여, 상기 웨이퍼 측면은 CMP 공정 작업 동안에 웨이퍼의 후방 측면과 마주하며, 그 중앙부에는 개구부를 구비하는 메탈 플레이트와;CMP 평탄화 공정 작업 동안에 이용되는 연마 압력과 동등한 공기 팽창 압력이 공기 주머니(bladder)에 인가됨으로 해서 메탈 플레이트의 비웨이퍼 측면의 상부 및 메탈 플레이트의 개구부 상면에 위치하는 공기 주머니를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제1항에 있어서, CMP 공정 작업 동안에 캐리어 막이 메탈 플레이트와 웨이퍼의 후방 측면 사이에 형성되고, 상기 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면 상에 형성된 캐리어 막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제2항에 있어서, 상기 메탈 플레이트 및 공기 주머니는 균일한 힘을 상기 캐리어 막에 제공하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제1항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로 접착하기 위하여 소정의 진공을 메탈 플레이트의 개구로 인가하여, 웨이퍼를 보다 쉽게 이송하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
- 제4항에 있어서, 진공이 메탈 플레이트의 개구부로 인가될 때 팽창한 공기 주머니의 공기가 빠지는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제5항에 있어서, 캐리어 헤드로부터 웨이퍼를 분리하기 위하여 공기 주머니를 공기 팽창시키는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제6항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 공기 주머니가 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 돌출되도록 공기 주머니가 팽창되는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 웨이퍼 측면과 비웨이퍼 측면을 구비하여, 상기 웨이퍼 측면은 CMP 공정 작업 동안에 웨이퍼의 후방 측면과 마주하며, 그 중앙부에는 개구부를 구비하는 메탈 플레이트와;CMP 작업 동안에 이용되는 연마 압력과 동등한 소정의 압력이 박막에 인가되어 메탈 플레이트의 비웨이퍼 측면의 상부 및 메탈 플레이트의 개구부 상면에 위치하는 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제8항에 있어서, CMP 작업 동안에 캐리어 막이 메탈 플레이트와 웨이퍼의 후방 측면 사이에 형성되어, 메탈 플레이트의 웨이퍼 측면 상에 형성된 캐리어 막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제9항에 있어서, 상기 메탈 플레이트 및 박막은 균일한 힘을 상기 캐리어 막에 제공하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제8항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로 접착하기 위하여 소정의 진공을 메탈 플레이트의 개구로 인가하여, 웨이퍼를 보다 쉽게 이송하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제11항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 소정의 분리 압력을 박막에 제공하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 제12항에 있어서, 상기 분리 압력은 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 박막을 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 돌출되도록 하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정용 캐리어 헤드.
- 중앙부에 형성된 개구부를 갖는 메탈 플레이트와, 상기 메탈 플레이트 내의 개구부 위에 위치하고 그 위에 웨이퍼가 위치하는 일측면과 반대되는 메탈 플레이트의 일측면에 위치하는 공기 주머니를 구비하는 캐리어 헤드에 웨이퍼를 위치시키는 단계;소정의 연마 압력이 웨이퍼에 제공되는데 있어서, 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼를 연마 표면으로 이동시키는 단계;상기 연마 압력과 동등한 압력으로 상기 공기 주머니를 공기 팽창시키는 단계와;상기 웨이퍼의 측면을 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 고정에서의 웨이퍼 연마 방법.
- 제14항에 있어서, 캐리어 막을 상기 메탈 플레이트 및 웨이퍼 후방 측면 사이에 위치 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 메탈 플레이트와 상기 공기 주머니는 캐리어 막에 균일한 힘을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제14항에 있어서, 보다 쉬운 웨이퍼 이송을 구현하기 위하여 웨이퍼를 캐리어 헤드에 접착시키기 위하여 메탈 플레이트 내의 개구부에 소정의 진공을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 진공이 메탈 플레이트의 개구부에 인가될 때 공기 팽창된 공기 주머니의 공기를 빼는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여 공기 주머니에 공기를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제19항에 있어서, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 분리하기 위하여, 상기 공기 주머니가 메탈 플레이트 내의 개구부를 통하여 돌출되도록 상기 공기 주머니가 공기 팽창되는 것을 특징으로 하는 방법.
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