KR20050116072A - 화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 연마 헤드 및 연마방법 - Google Patents

화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 연마 헤드 및 연마방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 연마 헤드에 관한 것으로, 연마 헤드는 캐리어를 가지며, 캐리어의 저면에는 지지대와 지지대로부터 일정거리 이격되어 지지대의 하부를 감싸도록 배치되는 멤브레인을 가진다. 지지대와 멤브레인 사이의 공간에는 적어도 하나의 구획링이 배치되며, 상기 공간으로 유입되는 공기에 의해 구획링의 접촉부가 눌러져 구획링은 상술한 공간을 분리된 복수의 공간으로 구획한다. 또한, 구획링 내에 공기가 유입될 수 있는 공간이 제공되어 웨이퍼의 영역별 경계에서 연마율이 낮아지는 것을 방지한다.

Description

화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 연마 헤드 및 연마 방법{POLISHING HEAD USED IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND POLISHING METHOD}
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마 장치에 사용되는 연마헤드 및 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조 공정은 웨이퍼 상에 박막층을 형성하는 증착공정과 그 박막층 상에 미세한 회로패턴을 형성하기 위한 노광 및 식각공정을 포함한다. 웨이퍼 상에 요구되는 회로패턴이 형성될 때까지 상술한 공정들은 반복되며, 회로패턴이 형성된 웨이퍼의 표면에는 많은 굴곡이 생긴다. 최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되어, 웨이퍼 표면의 굴곡의 수 및 이들 사이의 단차는 증가하고 있다. 그러나 상술한 웨이퍼 표면의 굴곡은 노광 공정에서 디포커스 등의 문제를 유발하므로, 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정이 주기적으로 이루어지고 있다. 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 다양한 표면 평탄화 기술이 사용되고 있다. 이들 중 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 장치가 주로 사용된다.
화학적 기계적 연마 장치는 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 장치이다. 기계적 연마는 회전하는 연마용 판인 연마 패드에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면 간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(slurry)와 같은 화학적 연마제에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이다.
이러한 화학적 기계적 연마 장치는 한국공개특허 2002-90370 등에 개시되어 있다. 이들 장치에서 웨이퍼는 그 연마면이 연마 패드와 대향되도록 연마 헤드에 장착되고, 웨이퍼의 연마면은 회전하는 연마 패드 상에 놓여진다. 연마 헤드는 캐리어 내에 배치되는 지지부와 이의 하부면을 감싸도록 배치되는 탄성 재질의 멤브레인을 가진다. 일반적으로 연마 헤드 내에서 멤브레인과 지지부 사이에는 단일의 공간이 형성되어 있으며, 그 공간으로 유입된 공기에 의해 멤브레인이 팽창되어 웨이퍼를 가압한다. 그러나 상술한 장치를 사용하여 연마 공정 진행시 웨이퍼의 영역에 따라 연마량이 불균일하며, 웨이퍼가 대구경화됨에 따라 웨이퍼의 영역별 연마량의 불균일은 더욱 커지고 있다.
본 발명은 웨이퍼를 영역에 따라 상이한 압력으로 가압할 수 있는 새로운 구조의 연마 헤드 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 웨이퍼의 영역 전체를 균일하게 연마할 수 있는 연마 헤드 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 연마 헤드는 하부가 개방된 캐리어를 포함한다. 상기 캐리어의 안쪽에는 지지부와 멤브레인이 배치된다. 상기 멤브레인은 상기 지지부의 저면으로부터 이격되어 위치되며, 상기 지지부와의 사이에 형성된 공간인 제 1가압부 내의 압력에 의해 팽창되어 기판을 가압한다. 상술한 공간에는 적어도 하나의 구획링이 배치되며, 상기 구획링은 상기 제 1가압부 내로 유입되는 유체의 압력에 의해 상기 멤브레인에 밀착되어 상기 제 1가압부를 복수의 가압 공간들로 구획한다. 상기 구획링은 고무 또는 수지와 같이 신축성 있는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 구획링은 상기 지지부에 고정되는 고정부, 상기 고정부로부터 아래로 연장되는 격벽부, 그리고 상기 격벽부의 끝단으로부터 외측으로 연장되며 상기 가압 공간으로 유입되는 유체에 의해 가압되어 상기 멤브레인에 밀착되는 접촉부를 포함한다. 일 예에 의하면, 상기 격벽부의 내부에는 유체가 유입되는 공간인 제 2가압부가 형성되고, 상기 제 2가압부로 유입되는 유체에 의해 상기 격벽부 아래에 위치되는 멤브레인이 가압될 수 있다. 상기 격벽부의 하부는 개방되거나 상기 격벽부는 바닥면을 구비하여 하부가 닫혀질 수 있다.
상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하고, 상기 구획링들의 제 2가압부에는 동일한 유체라인을 통해 유체가 유입되어, 상기 제 2가압부들은 동일한 압력으로 조절될 수 있다. 선택적으로 상기 구획링들의 제 2가압부에는 각각 상이한 유체라인을 통해 유체가 유입되어 상기 제 2가압부들은 각각 독립적으로 압력이 조절될 수 있다.
상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하며, 상기 구획링은 기판의 센터영역을 가압하는 센터 가압 공간과 상기 기판의 미들 영역을 가압하는 미들 가압 공간으로 구획하는 센터 구획링과 상기 기판의 에지영역을 가압하는 에지 가압 공간과 상기 미들 가압 공간을 구획하는 에지 구획링을 포함할 수 있다. 선택적으로 상기 구획링은 상기 미들 가압 공간을 복수의 공간으로 구획하는 하나 또는 복수의 미들 구획링을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1가압부의 가압 공간들 각각에는 서로 상이한 유체라인이 연결되어 기판의 영역에 따라 가압되는 압력이 독립적으로 조절될 수 있다.
또한, 상기 지지부는 상부판과 링 형상을 가지며 상기 상부판의 아래에 동일평면상에서 일정거리 이격되어 배치되는 복수의 하부판들을 포함한다. 상기 적어도 하나의 구획링은 상기 하부판들간의 이격된 부분에 삽입되며 상기 상부판과 함께 유체가 유입되는 공간을 제공하는 격벽부, 상기 격벽부의 측면으로부터 연장되어 상기 지지부에 고정되는 고정부, 그리고 상기 격벽부의 측면 하단으로부터 외측으로 연장되며 상기 제 1가압부로 유입되는 유체에 의해 가압되어 상기 멤브레인에 밀착되는 접촉부를 포함한다.
또한, 본 발명의 기판을 연마하는 방법은 기판이 흡착된 연마 헤드를 연마 패드 상에 위치시키는 단계, 상기 연마 헤드의 캐리어 안쪽에 위치되는 지지부와 상기 지지부 아래에 위치되는 멤브레인 사이의 공간인 제 1가압부로 유체를 공급하는 단계, 상기 유체에 의해 상기 제 1가압부 내에 배치되는 구획링의 접촉부가 상기 멤브레인에 밀착되어 상기 제 1가압부를 복수의 가압 공간으로 구획하는 단계, 그리고 상기 멤브레인이 팽창되어 상기 기판을 연마하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 구획링의 격벽부 내에 형성된 제 2가압부로 유체를 공급하여 상기 구획링 아래에 위치되는 상기 멤브레인의 영역을 가압하는 단계가 더 제공될 수 있다. 상기 구획링은 복수개가 구비되며, 연마공정 진행시 상기 구획링의 제 2가압부들 각각은 서로 독립적으로 압력이 조절되거나 동일한 압력으로 조절될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 17을 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치(1)를 개략적으로 보여주는 사시도와 정면도이다. 도 2에서 도 1의 베이스(12)와 슬러리 공급아암(30)은 생략되었다. 도 1과 도 2를 참조하면, 장치(1)는 플레이튼(platen)(10), 연마 패드(polishing pad)(20), 슬러리 공급아암(slurry supply arm)(30), 패드 컨디셔너(pad conditioner)(40), 그리고 연마 헤드 어셈블리(50)(polishing head assembly)를 포함한다. 플레이튼(10)은 원통의 형상을 가지며, 바닥면에 결합된 지지축(14)에 의해 지지된다. 연마 공정 진행시 플레이튼(10)을 회전시키기 위해 지지축(14)에는 모터(16)가 결합될 수 있다. 지지축(14)과 모터(16)는 베이스(12) 내에 위치될 수 있다.
플레이튼(10)의 상부면에는 연마 패드(20)가 부착된다. 연마 패드(20)는 원형의 형상을 가지며, 접착제에 의해 플레이튼(10) 상에 부착될 수 있다. 연마 패드(20)의 연마면인 상부면은 비교적 거친 표면을 가져 웨이퍼(도 3의 W)와 직접 접촉됨으로써 웨이퍼(W)를 기계적으로 연마한다. 연마 패드(20)의 상부면에는 슬러리의 이동로로서 기능하는 홈들(grooves)(22)이 형성된다. 슬러리는 플레이튼(10)의 회전에 의해 연마 패드(20)에 형성된 홈들(22)을 따라 웨이퍼(W)와 연마 패드(20) 사이로 공급된다. 홈들(22)은 동심원의 형상으로 일정간격 형성되거나 이와 달리 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 연마 패드(20)는 폴리우레탄(polyurethane)등과 같이 탄성을 가지는 재질로 이루어 질 수 있다.
플레이튼(10)의 주변에는 슬러리 공급아암(30)과 패드 컨디셔너(40)가 배치된다. 슬러리 공급아암(30)은 연마 패드(20) 상으로 슬러리를 공급하고, 패드 컨디셔너(40)는 연마공정 진행 중 연마 패드(20)의 연마조건을 유지한다. 선택적으로 패드 컨디셔너(40)는 연마 헤드(52)에 결합될 수 있다.
연마 헤드 어셈블리(50)는 플레이튼(10)의 상부에 위치된다. 연마 헤드 어셈블리(50)는 연마 헤드(52)를 포함한다. 연마 헤드(52)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(20)를 향하도록 웨이퍼(W)를 흡착고정하고 공정진행 중에 연마 패드(20)에 대하여 웨이퍼(W)를 가압한다. 연마 헤드(52)는 구동축(54)에 의해 지지되며, 구동축(54)에는 이를 회전시키는 모터(56)가 결합된다. 공정진행 중 연마 헤드(52)는 연마 패드(20)의 중심으로부터 일측에 배치되어 구동축(54)을 중심으로 회전하고, 연마 패드(20)는 플레이튼(10)과 함께 회전된다. 선택적으로 공정 진행 중 연마 헤드(52)는 연마 패드(20)의 반경방향으로 일정거리 진동될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드(52)를 개략적으로 보여주는 부분 단면도이다. 도 3을 참조하면, 연마 헤드(52)는 캐리어(carrier)(100), 지지부(supporter)(200), 멤브레인(membrane)(300), 구획링(section ring)(400), 그리고 리테이너(retainer)(700)를 가진다. 캐리어(100)는 대체로 하부가 개방된 그릇 형상을 가지며, 연마 헤드(52)의 몸체를 형성한다. 캐리어(100)의 안쪽 하부에는 지지부(200)가 배치된다. 지지부(200)는 상부판(top plate)(220)과 하부판들(bottom plates)(240)을 가진다. 상부판(220)은 대체로 원판 형상을 가지거나 환형의 링 형상을 가지고, 하부판들(240)은 대체로 환형의 링 형상을 가진다. 하부판들(240)은 대체로 동일 평면 상에 위치되며, 서로간에 일정거리 이격되어 동심원 형상으로 배치된다.
지지부(200)의 아래에는 공정 진행 중 웨이퍼(W)와 직접 접촉되어 웨이퍼(W)를 가압하는 멤브레인(300)이 배치된다. 멤브레인(300)은 지지부(200)와 일정거리 이격된 상태에서 지지부(200)의 하부면을 감싸며, 멤브레인(300)의 가장자리는 최외곽에 위치되는 하부판(240)의 측벽을 따라 위로 연장된 후 상부판(220)과 하부판(240) 사이에 삽입되어 지지부(200)에 고정될 수 있다. 멤브레인(300)의 외주변에는 리테이너(700)가 배치된다. 리테이너(700)는 멤브레인(300)을 감싸도록 링으로 형성되며, 공정진행시 멤브레인(300)에 가해지는 압력보다 높은 압력으로 가압되어, 웨이퍼(W)가 연마 헤드(52)로부터 이탈되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이 멤브레인(300)은 지지부(200)로부터 일정거리 이격되어 배치되므로, 멤브레인(300)과 지지부(200) 사이에는 소정의 공간이 형성된다. 연마공정 진행 중 그 공간 내로 공기가 유입되면 공간 내의 압력이 높아지며, 이로 인해 멤브레인(300)이 가압되어 팽창한다. 팽창된 멤브레인(300)은 그 아래에 위치되는 웨이퍼(W)의 후면을 가압하여 연마 패드(20)에 대해 웨이퍼(W)를 연마한다. 멤브레인(300)과 지지부(200) 사이에 하나의 공간만이 형성된 연마 헤드를 사용하여 공정 진행시, 웨이퍼(W)는 영역에 따라 상이한 연마율로 연마된다. 일반적으로 웨이퍼(W)의 중심영역과 가장자리 영역에서 비교적 연마가 많이 이루어진다.
본 발명에서는 상술한 문제를 해결하기 위해 적어도 하나의 구획링(400)이 제공된다. 구획링(400)은 연마공정 진행시 상술한 공간을 서로간에 격리된 복수의 공간으로 구획한다. 구획링(400)은 고무(rubber)나 수지(resin)와 같이 탄성이 있는 재질로 제조된다. 예컨대, 구획링(400)은 폴리우레탄을 재질로 하여 제조될 수 있다. 도 3에서 멤브레인(300)과 지지부(200) 사이의 공간을 제 1가압부(first pressure part)(520)라 하고, 제 1가압부(520) 내에서 구획링(400)에 의해 분리되는 각각의 공간을 가압 공간(pressure space)(520a, 520b, 520c)이라 칭한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구획링(400)의 사시도이고, 도 5는 도 4에서 선 Ⅰ-Ⅰ를 따라 절단한 단면도이다. 도 4와 도 5를 참조하면, 구획링(400)은 고정부(fixing portion)(420), 격벽부(partition portion)(440), 그리고 접촉부(contacted portion)(460)를 가진다. 격벽부(440)는 제 1가압부(520) 내에 배치되며 제 1가압부(520)를 복수의 가압 공간들로 분리하는 격벽으로서 기능한다. 격벽부(440)는 전체적으로 링 형상을 가지며, 내부에 소정의 공간이 형성된다. 격벽부(440) 내에 형성된 공간을 제 2가압부(second pressure part)(480)라 칭한다. 제 2가압부(480)는 외부에서 공기 등의 유체가 유입될 수 있도록 상부가 개방된다. 제 2가압부(480)의 폭은 가급적 좁게 형성되는 것이 바람직하다. 제 2가압부(480)에 유입되는 공기는 격벽부(440) 아래에 위치되는 멤브레인(300) 영역을 가압한다. 격벽부(440)는 바닥면(482)을 가지는 'U'자 형상의 벽면을 가져, 공기압에 의해 팽창된 바닥면(482)이 멤브레인(300)을 가압할 수 있다. 선택적으로 도 6에 도시된 바와 같이 격벽부(440′)는 상부와 하부가 모두 개방된 제 2가압부(480′)를 가져, 멤브레인(300)이 공기에 의해 직접 가압될 수 있다.
고정부(420)는 격벽부(440)의 상단으로부터 일측 또는 양측 바깥쪽으로 돌출 되도록 연장되며, 구획링(400)을 연마 헤드(52) 내에 고정시킨다. 도 7은 도 3의 'A'의 확대도로 구획링(400)이 연마 헤드(52)에 고정되는 상태를 보여준다. 도 7을 참조하면, 구획링(400)은 하부판들(240) 사이의 공간으로 삽입되고, 고정부(420)는 상부판(220)과 하부판(240) 사이에 끼워진다.
접촉부(460)는 공정 진행시 멤브레인(300)에 밀착되는 부분으로 격벽부(440)의 하단으로부터 일측 또는 양측으로 돌출 되도록 연장된다. 도 8은 제 1가압부(520)가 구획링(400)에 의해 복수의 가압 공간(522a, 522b)들로 구획되는 것을 보여준다. 도 8에 도시된 바와 같이 제 1가압부(520) 내로 유입된 공기는 접촉부(460)의 상부를 눌러져 접촉부(460)가 멤브레인(300)과 밀착되도록 하며, 이로 인해 제 1가압부(520)는 구획링(400) 안쪽 공간(522a)과 구획링(400)의 바깥쪽 공간(522b)으로 나누어진다. 접촉부(460)는 비교적 얇은 두께를 가지며, 멤브레인(300)과 충분히 밀착될 수 있도록 하는 길이로 형성된다. 예컨대, 격벽부(440)로부터 일측으로 연장된 접촉부(460)의 길이는 5mm 내지 30mm일 수 있으며, 바람직하게는 약 10mm이다. 접촉부(460)의 길이가 지나치게 긴 경우 이와 대향되는 웨이퍼 영역이 원하는 연마율로 연마되지 않을 수 있으며, 접촉부(460)의 길이가 지나치게 짧은 경우 공간(522a, 522b)간의 분리가 완전하게 이루어지지 않을 수 있다. 접촉부(460)는 대체로 격벽부(440)로부터 멀어질수록 높이가 낮아지는 형상을 가지거나, 대체로 평평한 형상을 가질 수 있다.
도 8에서 제 1가압부(520)의 가압 공간들(522a, 522b) 중 구획링(400)의 안쪽에 위치되는 가압 공간을 내측 가압 공간(522a)(inner pressure space)이라 하고 구획링(400)의 바깥쪽에 위치되는 가압 공간을 외측 가압 공간(522b)(outer pressure space)이라 칭한다. 내측 가압 공간(522a)과 외측 가압 공간(522b)에는 각각 상이한 유체 라인(622)이 연결되어, 독립적으로 압력이 조절된다. 또한, 제 2가압부(480)에 유체 라인(624)이 연결되어 내측 가압 공간(522a)과 외측 가압 공간(522b) 사이의 웨이퍼(W) 영역에서 연마율이 저하되는 것을 방지한다. 도 9는 상술한 구조의 구획링(400)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하여 공정 진행시 웨이퍼(W)의 영역에 따른 연마율 측정 결과를 보여주는 도면이다. 하나의 구획링(400)이 사용되었으며, 내측 가압 공간(522a)에는 외측 가압 공간(522b)에 비해 큰 압력이 제공되었다. 도 9에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 중심 영역과 웨이퍼(W)의 가장자리 영역은 서로 상이한 연마율로 연마되었다. 이는 상술한 구조의 연마 헤드(52) 사용시 제 1가압부(520)가 복수의 가압 공간(522a, 522b)으로 확실히 분리되었음을 보여준다.
도 10은 구획링(400″)의 다른 예를 보여주는 사시도이고, 도 11은 도 10에서 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 단면도이다. 도 10과 도 11을 참조하면, 구획링(400″)은 격벽부(440″), 고정부(420″), 그리고 접촉부(460″)를 가지며, 고정부(420″) 및 접촉부(460″)는 도 4의 구획링(400)의 고정부(420) 및 접촉부(460)와 동일하다. 그러나 격벽부(440″)는 도 4의 구획링(400)의 격벽부(440)와 달리 얇은 단일벽의 형상을 가진다. 이 경우 내측 가압 공간과 외측 가압 공간 사이의 경계에서 연마율은 비록 저하될 수 있으나, 비교적 단순한 구조의 구획링(400″)을 사용하여 제 1가압부(520)를 복수의 가압 공간들로 분리될 수 있다.
다시 도 3을 참조하여, 복수의 구획링들(400)이 사용된 연마 헤드(52)의 구조를 구체적으로 설명한다. 연마 헤드(52)는 3개의 구획링(400)들을 구비하며, 가장 안쪽에 위치되는 구획링을 센터 구획링(400a)이라 칭하고, 가장 바깥쪽에 위치되는 구획링을 에지 구획링(400b)이라 칭하며, 이들 사이에 위치되는 구획링을 미들 구획링(400c)이라 칭한다. 각각의 구획링들(400a, 400b, 400c)은 도 4에 도시된 형상을 가진다. 제 1가압부(520)는 상술한 구획링들(400a, 400b, 400c)에 의해 4개의 가압 공간들(520a, 520b, 522c, 524c)로 구획되며, 가장 안쪽에 위치되는 가압 공간을 센터 가압 공간(520a)이라 칭하고, 가장 바깥쪽에 위치되는 가압 공간을 에지 가압 공간(520b)이라 칭하며, 이들 사이에 위치되는 가압 공간을 미들 가압 공간(520c)이라 칭한다. 센터 구획링(400a)에 의해 센터 가압 공간(520a)과 미들 가압 공간(520c)이 분리되고, 에지 구획링(400b)에 의해 미들 가압 공간(520c)과 에지 가압 공간(520b)이 분리되며, 미들 구획링(400c)에 의해 미들 가압 공간(520c)은 내측 미들 가압 공간(522c)과 외측 미들 가압 공간(524c)으로 분리된다. 선택적으로 상술한 구획링들(400a, 400b, 400c) 중 하나 또는 두 개의 구획링(400)만 제공될 수 있으며, 선택적으로 미들 가압링(400c)을 복수개 구비하여 웨이퍼(W)의 영역별 연마율을 더욱 정밀하게 조절할 수 있다.
지지부(200)는 하나 또는 복수의 상부판(220)과 그 아래에 위치되는 링 형상의 네 개의 하부판들(240)을 가진다. 각각의 하부판(240)은 나사(도시되지 않음)에 의해 상부판(220)과 결합될 수 있다. 상부판(220)에는 외부에 설치된 펌프(도시되지 않음)에 의해 공기흐름이 조절되는 연결관(660)이 결합되는 복수의 홀들이 형성되고 각각의 하부판(240)에는 상부판(220)에 형성된 홀들 중 어느 하나의 홀과 연통되는 홀이 형성된다. 상술한 홀들은 가압 공간(520)으로 공기가 이동되는 통로인 유체 라인(622)으로서 기능한다. 선택적으로 센터 가압 공간(520a)과 연결되는 유체 라인(622)은 캐리어(100) 내의 중앙에 설치된 로드(120)와 같은 구조물 내에 형성될 수 있다. 각각의 하부판들(240) 사이에는 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 센터 구획링(400a), 미들 구획링(400c), 그리고 에지 구획링(400b)이 순차적으로 삽입된다. 각각의 구획링들(400a, 400b, 400c)의 제 2가압부(480)에는 공기가 이동되는 통로인 유체 라인(624)이 연결된다.
도 12는 도 3의 'B'의 확대도로 제 2가압부(480)와 연결되는 유체 라인(624)의 일 예를 보여준다. 유체 라인(624)은 상부판(220) 내에 센터 구획링(400)의 상부에서부터 에지 구획링(400)의 상부까지에 연장되는 통로(624a)와, 통로(624a)의 일정 지점에서 연장되어 상술한 연결라인들(660) 중 어느 하나와 연결되는 유입부(624b) 및 통로(624a)의 일정지점으로부터 각각 분기되어 각각의 구획링(400)의 제 2가압부(480)와 연결되는 복수의 유출부들(624c)을 가진다. 상술한 구조에 의해 각각의 구획링(400)의 제 2가압부(480)는 모두 동일한 압력으로 가압될 수 있다. 선택적으로 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 구획링(400)의 제 2가압부(480)에는 서로 상이한 유체 라인(624′)이 연결되어, 그 내부압이 독립적으로 조절될 수 있다.
도 14는 도 4에 도시된 구획링(400)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하여 공정 진행시, 독립적으로 가압될 수 있는 웨이퍼(W)의 영역을 보여주고, 도 15는 도 10에 도시된 구획링(400″)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하여 공정 진행시 독립적으로 가압될 수 있는 웨이퍼(W)의 영역을 보여준다. 도 14와 도 15에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 중심부(Wa)의 연마율은 센터 가압 공간(520a)으로 유입되는 공기량에 의해 조절되고, 웨이퍼의 가장자리부(Wb)의 연마율은 에지 가압 공간(520b)으로 유입되는 공기량에 의해 조절되며, 웨이퍼의 미들부(Wc)의 연마율은 내측 미들 가압 공간(522c)과 외측 미들 가압 공간(524c)으로 유입되는 공기량에 의해 조절된다. 또한, 도 4에 도시된 구획링(400)을 사용하는 경우 제 2가압부(480)로 유입되는 공기에 의해 웨이퍼(W)의 영역간 경계부(Wd)가 가압되어 경계부(Wd)에서 연마율이 감소되는 것이 방지된다.
도 16은 제 1가압부(520)가 하나의 가압 공간으로 이루어진 일반적인 연마 헤드를 사용하여 연마공정을 진행하는 경우와 본 발명의 구획링(400)에 의해 제 1가압부(520)가 복수의 가압 공간들(520a, 520b, 520c)로 구획된 연마 헤드(52)를 사용하여 연마공정을 진행하는 경우 웨이퍼(W)의 영역에 따른 연마율을 비교하는 도면이다. 도 16에서 'a'는 일반적인 연마 헤드를 사용하는 경우의 연마율을 나타내는 그래프이고, 'b'는 도 10에 도시된 구획링(400″)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하는 경우의 연마율을 나타내는 그래프이며, 'c'는 도 4에 도시된 구획링(400)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하는 경우의 연마율을 나타낸다. 도 16을 참조하면, 일반적인 연마 헤드를 사용하는 경우 웨이퍼(W)의 중심부와 가장자리부에서 연마가 많이 이루어진다. 그러나 제 1가압부(520)를 복수의 가압 공간들(520a, 520b, 520c, 520d)로 구획한 후, 각각의 가압 공간(520a, 520b, 520c, 520d)으로 유입되는 공기량을 조절하면서 연마를 진행하면 웨이퍼(W)의 전체 영역에서 대체로 균일한 연마율을 얻을 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 구획링(400)이 설치된 연마 헤드(52)를 사용하고, 제 2가압부(480)에 공기를 유입하여 이와 대향되는 웨이퍼(W)의 영역을 가압하는 경우, 웨이퍼(W)의 영역별 경계에서 연마율이 감소되는 것을 최소화할 수 있다.
상술한 실시예에서 제 1가압부(520)와 제 2가압부(480)로 유입되는 유체로 공기를 예로 들었으나 이는 일 예에 불과하며, 유체는 질소나 비활성 같은 기체 등이 사용될 수 있다.
도 17은 도 3에 도시된 연마 헤드(52)를 사용하여 연마 공정이 수행되는 과정을 순차적으로 보여주는 플로우차트이다. 처음에 연마 헤드(52)는 웨이퍼(W)를 진공으로 흡착하여 연마 패드(20) 상에 위치한다(스텝 S10). 이후에 제 1가압부(520)의 각각의 가압 공간(520a, 520b, 520c)으로 기설정된 량의 공기를 공급한다(스텝 S20). 각각의 가압 공간(520a, 520b, 520c)으로 유입된 공기는 가압 공간(520a, 520b, 520c) 내에 위치된 구획링(400)의 접촉부(460)와 멤브레인(300)을 누른다. 접촉부(460)는 상부에서 가해지는 공기압에 의해 멤브레인(300)과 밀착되며, 이로 인해 인접하는 제 1가압부(520)는 복수의 가압 공간들(520a, 520b, 520c)로 분리된다(스텝 S30). 이와 함께 각각의 제 2가압부(480)로 설정된 공기량이 유입되어 격벽부(440) 아래에 위치되는 웨이퍼의 경계부(Wd)를 가압한다(스텝 S40). 제 1가압부(520)의 각각의 가압 공간들(520a, 520b, 520c)와 제 2가압부(480)로 기설정된 공기량이 계속적으로 공급되면서 웨이퍼의 연마가 이루어진다(스텝 S50). 제 1가압부(520)와 제 2가압부(480)로의 공기의 유입은 동시에 이루어질 수 있으며, 선택적으로 일정 시차를 두고 이루어질 수 있다. 또한, 각각의 가압 공간(520)들이 서로간에 격리되기 전에 각각의 가압 공간(520a, 520b, 520c)으로 유입되는 공기량은 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 웨이퍼의 경계부들(Wd) 각각은 동일한 압력으로 가압되거나 상이한 압력으로 가압될 수 있다.
본 발명에 의하면, 연마 헤드는 웨이퍼의 영역에 따라 웨이퍼에 상이한 압력을 가할 수 있으므로, 웨이퍼의 영역에 따른 연마율을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 웨이퍼가 영역에 따라 상이한 압력으로 가압될 때 각 영역의 경계에서 연마율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 사시도와 정면도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드를 개략적으로 보여주는 부분 단면도;
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 1의 구획링의 사시도;
도 5는 도 4에서 선 Ⅰ-Ⅰ를 따라 절단한 단면도;
도 6은 도 4의 구획링의 변형된 예를 보여주는 단면도;
도 7은 도 3의 'A'부분의 확대도;
도 8은 구획링에 의해 제 1가압부가 복수의 가압 공간들로 분리된 상태를 보여주는 도면;
도 9는 하나의 구획링이 설치된 연마 헤드를 사용하여 공정 진행시 웨이퍼의 영역에 따른 연마율 측정 결과를 보여주는 도면;
도 10은 구획링의 다른 예를 보여주는 사시도;
도 11은 도 10에서 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 단면도;
도 12는 제 2가압부와 연결되는 유체라인의 일 예를 보여주기 위한 도 3의 'B' 부분의 확대도;
도 13은 제 2가압부와 연결되는 유체라인의 다른 예를 보여주는 도면;
도 14는 도 4에 도시된 구획링이 설치된 연마 헤드를 사용하여 공정 진행시, 독립적으로 가압되도록 구획된 웨이퍼의 영역을 보여주는 도면;
도 15는 도 10에 도시된 구획링이 설치된 연마 헤드를 사용하여 공정 진행시, 독립적으로 가압되도록 구획된 웨이퍼의 영역을 보여주는 도면;
도 16은 일반적인 연마 헤드를 사용하여 연마공정을 진행하는 경우와 본 발명의 연마 헤드를 사용하여 연마공정을 진행하는 경우 웨이퍼의 영역에 따른 연마율을 비교하는 도면; 그리고
도 17은 도 3에 도시된 연마 헤드를 사용하여 연마 공정을 수행하는 과정을 순차적으로 보여주는 플로우차트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
52 : 연마 헤드 100 : 캐리어
200 : 지지부 220 : 상부판
240 : 하부판 300 : 멤브레인
400 : 구획링 420 : 고정부
440 : 격벽부 460 : 접촉부
622, 624 : 유체 라인

Claims (20)

  1. 화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 연마 헤드에 있어서,
    하부가 개방된 캐리어와;
    상기 캐리어의 안쪽에 배치되는 지지부와;
    상기 지지부의 저면으로부터 이격되어 위치되는, 그리고 상기 지지부와의 사이에 형성된 공간인 제 1가압부 내의 압력에 의해 팽창되어 기판을 가압하는 멤브레인과; 그리고
    상기 제 1가압부 내로 유입되는 유체의 압력에 의해 상기 멤브레인에 밀착되어 상기 제 1가압부를 복수의 가압 공간들로 구획하는 적어도 하나의 구획링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구획링은,
    상기 지지부에 고정되는 고정부와;
    상기 고정부로부터 아래로 연장되는 격벽부와; 그리고
    상기 격벽부의 끝단으로부터 외측으로 연장되며, 상기 가압 공간으로 유입되는 유체에 의해 가압되어 상기 멤브레인에 밀착되는 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 격벽부의 내부에는 유체가 유입되는 공간인 제 2가압부가 형성되고,
    상기 제 2가압부로 유입되는 유체에 의해 상기 격벽부 아래에 위치되는 멤브레인이 가압되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 격벽부의 하부는 개방된 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 격벽부의 하부는 닫혀진 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하고,
    상기 구획링들의 제 2가압부에는 동일한 유체라인을 통해 유체가 유입되어, 상기 제 2가압부들은 동일한 압력으로 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하고,
    상기 구획링들의 제 2가압부에는 각각 상이한 유체라인을 통해 유체가 유입되어 상기 제 2가압부들은 각각 독립적으로 압력이 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하되,
    상기 구획링은,
    기판의 센터영역을 가압하는 센터 가압 공간과 상기 기판의 미들영역을 가압하는 미들 가압 공간으로 구획하는 센터 구획링과;
    상기 기판의 에지영역을 가압하는 에지 가압 공간과 상기 미들 가압 공간을 구획하는 에지 구획링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 구획링은 상기 미들 가압 공간을 복수의 공간으로 구획하는 미들 구획링을 하나 또는 복수개 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 구획링은 신축성 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1가압부의 가압 공간들 각각에는 서로 상이한 유체라인이 연결되어, 기판의 영역에 따라 가압되는 압력이 독립적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상부판과;
    링 형상을 가지며, 상기 상부판의 아래에 동일평면상에서 일정거리 이격되어 배치되는 복수의 하부판들을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 구획링은,
    상기 하부판들간의 이격된 부분에 삽입되며 상기 상부판과 함께 유체가 유입되는 공간을 제공하는 격벽부와;
    상기 격벽부의 측면으로부터 연장되어 상기 지지부에 고정되는 고정부와;
    상기 격벽부의 측면 하단으로부터 외측으로 연장되며, 상기 제 1가압부로 유입되는 유체에 의해 가압되어 상기 멤브레인에 밀착되는 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 상기 구획링을 복수개 구비하되,
    상기 구획링은,
    기판의 센터영역을 가압하는 센터 가압 공간과 상기 기판의 미들영역을 가압하는 미들 가압 공간으로 구획하는 센터 구획링과;
    상기 미들 가압 공간과 상기 기판의 에지영역을 가압하는 에지 가압 공간으로 구획하는 에지 구획링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 구획링은 상기 미들 가압 공간을 복수의 영역으로 구획하는 미들 구획링을 하나 또는 복수개 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 구획링들의 격벽부 각각에는 내부에 유체가 유입되는 공간인 제 2가압부를 가지고,
    상기 제 2가압부로 유입되는 유체에 의해 상기 구획링 아래에 위치되는 멤브레인이 팽창되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 구획링은 고무 또는 수지를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  17. 기판을 연마하는 방법에 있어서,
    기판이 흡착된 연마 헤드를 연마 패드 상에 위치시키는 단계와;
    상기 연마 헤드의 캐리어 안쪽에 위치되는 지지부와 상기 지지부 아래에 위치되는 멤브레인 사이의 공간인 제 1가압부로 유체를 공급하는 단계와;
    상기 유체에 의해 상기 제 1가압부 내에 배치되는 구획링의 접촉부가 상기 멤브레인에 밀착되어 상기 제 1가압부를 복수의 가압 공간으로 구획하는 단계와;
    상기 멤브레인이 팽창되어 상기 기판을 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 가압 공간 각각은 서로 독립적으로 압력이 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 연마 방법은 상기 구획링의 격벽부 내에 형성된 제 2가압부로 유체를 공급하여 상기 구획링 아래에 위치되는 상기 멤브레인의 영역을 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 구획링은 복수개가 구비되며,
    연마공정 진행시 상기 구획링의 제 2가압부들 각각은 서로 독립적으로 압력이 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
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