KR20070041000A

KR20070041000A - 화학적 기계적 연마장치의 연마 헤드

Info

Publication number: KR20070041000A
Application number: KR1020050096634A
Authority: KR
Inventors: 최성규
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-18

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연마헤드는 공기 유로를 구비하는 헤드 몸체, 상기 헤드 본체의 하부에 위치하고, 복수의 진공홀들이 형성되는 다공판, 상기 다공판을 피복하는 멤브레인, 상기 헤드 몸체의 하부에 상기 멤브레인의 외주면을 따라 환형으로 구비되고, 상기 멤브레인에 의해 파지된 웨이퍼를 유지하는 리테이너 링(retainer ring), 상기 리테이너 링에 제공되며, 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부재를 포함한다. 여기에서, 상기 슬러리 공급부재는 상기 리테이너 링 하단의 내주연 및 외주연 사이를 관통하도록 형성되며,슬러리가 이동되는 유로로서 제공되는 적어도 하나의 그루브(groove) 및 상기 그루브와 통하도록 상기 리테니어 링 내에 형성되며, 상기 그루브로 슬러리를 공급하는 슬러리 공급홀을 포함한다.

따라서, 본 발명에 따른 연마헤드는 리테이너 링에 슬러리 공급부재를 설치하여, 리테이너 링의 그루브를 통해 슬러리가 공급된다. 그 결과, 슬러리 사용량을 절감하는 동시에 효과적으로 연마를 수행할 수 있다.

화학적 기계적 연마장치, 연마헤드, 리테이너 링

Description

화학적 기계적 연마장치의 연마 헤드{POLISHING HEAD IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 연마 헤드가 구비된 화학적 기계적 연마장치의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드에 적용되는 리테이너 링을 나타내는 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 리테이너 링의 부분적인 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 연마헤드 150: 고정판

120: 중앙 지지체 160: 리테이너 링

130: 멤브레인 180: 이너 튜브

140: 헤드 본체 190: 진공관

200: 슬러리 공급부재

본 발명은 화학적 기계적 연마장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 상에 집적회로를 제조하는 과정에서 웨이퍼 전면 또는 배면을 평탄화하기 위하여 통상적으로 화학적 기계적 연마 공정을 거친다. 이와 같은 화학적 기계적 연마 공정을 이용한 평탄화 기술은 반도체 집적회로의 집적도가 높아지고 웨이퍼의 대구경화 추세에 따라 더욱 중요한 가공기술로 인식되고 있다.

웨이퍼 표면을 평탄화하는데 시용되는 연마장치는 웨이퍼를 지지하면서 회전 및 가압하는 연마헤드, 연마패드가 부착된 연마정반, 및 그 구동장치, 연마패드의 드레싱 장치, 세정장치, 및 슬러리 공급장치로 구성된다.

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 연마헤드(10)는 헤드 본체(head housing)(14), 리테이너 링(retainer ring)(16), 웨이퍼 흡착부재(wafer absorption member)(13), 그리고 중앙 지지체(centeral support member)(12)를 포함한다.

헤드 본체(14b)와 리테이너 링(16) 사이에는 기밀을 유지하기 위하여 합성수지 탄성체로 형성된 시일 링(17)(미도시)이 배치된다. 리테이너 링(16)은 웨이퍼(W)가 연마패드(P)로 미끄러지는 것을 방지한다.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 연마 헤드(10)는, 헤드 본체(14b)에 가해진 힘에 의해 웨이퍼(W)가 연마 패드(P)와 밀착되고, 리테이너 링(16)또한 헤드 본체(14b)에 가해진 힘에 의해 연마 패드(P)와 밀착된 상태에서 웨이퍼(W)를 연마한다. 따라서, 연마 패드(P)에 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시킬 수 있기 때문에 웨이퍼 전면(whole surface)에 걸쳐 고르게 연마할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마장치에서는, 슬러리 공급장치에서 공급된 슬러리가 연마패드 표면에 공급된다. 연마패드는 표면에 많은 발포 미공 및 홀(hole)을 가지며, 웨이퍼와 연마패드의 상대운동을 통하여 연마 공정이 수행된다. 연마 패드(P)에 형성된 홈(groove)에 채워진 슬러리만이 실제 연마에 사용되며, 연마 패드(P)표면에 남아있는 여분의 슬러리는 대부분 버려지게 된다. 이때, 버려지는 슬러리의 양은 약 50%에 달한다.

또한, 종래의 슬러리는 슬러이 이동 암(slurry delivery arm)(미도시)를 이용하여 연마 패드(P)상의 한점에 슬러리를 공급하는 방식으로 연마가 수행된다. 이 경우에, 슬러리 공급장치와 연마헤드 사이에 위치한 패드 콘디셔너(pad conditioner)에 의하여 슬러리를 연마 패드(P)표면에 분산을 시키고 있으나, 이러한 동작이 간헐적으로 수행되어 낭비되는 슬러리의 양이 많다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 목적은 슬러리를 연마패드에 효과적으로 분사할 수 있는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 공기 유로를 구비하는 헤드 몸체; 상기 헤드 본체의 하부에 위치하고, 복수의 진공홀 들이 형성되는 다공판; 상기 다공판을 피복하는 멤브레인; 상기 헤드 몸체의 하부에서 상기 멤브레인의 외주면을 따라 환형으로 구비되고, 상기 멤브레인에 의해 파지된 웨이퍼를 유지하는 리테이너 링(retainer ring); 상기 리테이너 링 하단의 내주연 및 외주연 사이를 관통하도록 형성되며,슬러리가 이동되는 유도로서 제공되는 적어도 하나의 그루브(GROOVE); 및 상기 그루브와 연결되도록 상기 리테니어 링내에 형성되며, 상기 그루블로 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 부재를 포함하는데 그 한 특징이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 그루브는 복수개로 형성될 수 있다. 상기 그루브는 8~10개로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 그루브는 웨이퍼의 반경 방향으로부터 소정의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 슬러리 공급홀들은 상기 그루브들 중 선택된 일부에만 통하도록 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

이하 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마장치(1)는 연마 스테이션(poishing station)(10)과 헤드 어셈블리(20)를 포함한다.

연마 스테이션(10)은 연마 테이블(polishing table)(11), 상부면에 연마패드(polishing pad)(12)가 부착된 플레튼(platen)(14), 및 패드 콘디션너(pad conditioner)(16)를 포함한다.

연마 테이블(11)은 플레튼(14) 및 패드 콘디션너(16)를 지지한다. 연마 테이블(11) 내부에는 플레튼(14)을 소정의 회전력으로 회전 시키는 플레튼 회전 부재(미도시)와, 패드 콘디셔너(16)를 작동시키는 패드 콘디셔너 구동부(미도시)가 설치된다.

플레튼(14)은 플레튼 회전부재에 의해 소정의 회전력으로 회전된다. 플레튼(14)의 상부면에는 연마패드(12)가 부착된다. 연마패드(12)는 예컨대, 폴리우레탄 재질의 기계적 연마요소를 갖는 연마포로서 복수개의 홀(hole)들과 미공들을 가진다. 연마패드(P)는 연마 공정시 웨이퍼와 접촉되어 연마될 표면을 아래로 향하도록 웨이퍼(W)를 고정 시키는 연마헤드(100)와 서로 반대방향으로 회전하여 웨이퍼의 연마를 수행한다.

패드 콘디셔너(16)는 회전 및 왕복 운동을 병행하면서 연마패드(12)에 형성된 슬러리 입자들을 연마패드(12) 전체에 균일하게 분산 시킨다. 게다가, 패드 콘디셔너(16)는 연마 패드(12)의 거칠기를 복원시키는 역할을 한다.

헤드 어셈블리(20)는 플레튼(10)의 상부에 위치되며, 구동축(driven shaft)(22), 모터(motor)(24), 그리고, 연마헤드(polishing head)(100)를 포함한다. 구동축(22)은 모터(24)에 의해 회전되며, 구동축(22)에 결합된 연마헤드(100)는 모터(24)의 회전력에 의해 회전된다.

이하, 상술한 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연마헤드(100)은 헤드 본체(head housing)(140), 리테이너 링(retainer ring)(160), 웨이퍼 흡착부재(wafer absorption member)(130), 중앙 지지체(central support member)(120), 그리고 슬러리 공급부재(slurry supply member)를 포함한다.

헤드 본체(140)는 상호 대응되어 결합하는 상부 몸체(upper housing)(140a)와 하부 몸체(lower housing)(140b)를 포함한다. 상부 몸체(140a)와 하부 몸체(140b) 사이에는 고정판(fixing plate)(150)이 형성된다. 고정판(150a, 150b) 사이에는 진동판(rolling diaphram)(151)이 형성되어 있다. 고정판(150a, 150b)은 상부 몸체(140a)와 하부 몸체(140b)를 서로 결합하여 지지하기 위한 것으로, 소정의 핀(미도시)에 의해 상부 및 하부 몸체(140a, 140b)를 밀착하여 결합시킨다.

상부 몸체(140a)에는 질소가스의 흡입압력이 전달되는 통로인 압력관(vacuum line)(190)이 형성된다. 압력관(190)은 주 압력관(main vacuum line)(190a)과 보조 압력관(190b, 190c)을 포함한다. 주 압력관(190a)은 상부 몸체(140a)의 상부 중앙으로부터 후술할 중앙 지지체(120)를 따라 연장되어 웨이퍼 흡착부재(130)와 연결된다. 또한, 보조 압력관(190b)는 상부 몸체(140a)의 상부로부터 연장되어 상부 몸체(140a)와 하부 몸채(140b) 사이 공간으로 연장되고, 보조 압력관(190c)은 상부 몸체(140a)의 상부로부터 연장되어 하부 몸체(140b)의 하부에 환형으로 형성된 인너 튜브(180)로 연장된다.

이너 튜브(inner tube)(180)는 신축성을 갖는 합성수지 또는 고무로 형성되며, 보조 압력관(190c)으로부터 가스를 공급받아 팽창되어 웨이퍼 흡착부재(130)를 하강시키거나, 보조 압력관(190c)으로 가스가 배출되어 수축되므로써 웨이퍼 흡착부재(130)를 상승 시킨다. 여기서, 상술한 압력관(190)의 위치와 방식은 다양하게 형성될 수 있으며, 상술한 설명에 한하지 않는다.

리테이너 링(160)은 하부 몸체(140b)의 하부면에 환형으로 형성된다. 리테이너 링(160)은 웨이퍼(W)가 연마패드(P)로 미끄러지는 것을 방지한다. 또한, 리테이너 링(160)은 강한 합성수지로 형성되며, 리테이너 링의 하면(160b)에 대하여 직각인 측면(160a)를 구비한다.

웨이퍼 흡착 부재(130)는 다공판(perforated plate)(132)과 멤브레인(membrane)(134)을 포함한다. 다공판(132)은 후술할 중앙 지지체(120)의 하부체에 위치하며, 웨이퍼를 흡착하기 위해 복수의 진공홀(136)이 형성된 원형판으로 형성된다. 다공판(132)은 서로 평행하게 대등되는 상부 및 하부 다공판으로 구성될 수 도 있다. 다공판은 중앙 지지체(120)와 결합된다. 이 경우에, 다공판(132)은 중앙 지지체(12)의 복수의 고정판(170a, 170b)들에 의해 결합되어 고정되며, 고정판(170a, 170b) 사이에는 일단이 하부 몸체(140b)에 결합되는 플렉쳐(flexture)(170)가 구비되어 웨이퍼 흡착 부재(130)를 고정 및 지지한다. 즉, 플렉쳐(170)는 연마 공정시 웨이퍼 흡착 부재(130)의 흔들림에 의해 연마헤드(100)의 손상을 방지하기 위해 웨이퍼 흡착부재(130)를 고정 시킨다.

멤브레인(134)은 다공판(132)의 저면 및 가장자리를 감싸도록 다공판(132)을 피복한다. 멤브레인(134)은 얇은 탄성체 피복막으로 웨이퍼와 집적 접촉하는 다공판(132)의 저면을 감싸도록 형성되어 웨이퍼(W)가 다공판(132)의 저면에 흡착시 다공판(132)에 의해 스크래치(scratch)되는 것을 방지하기 위한 것이다.

멤브레인(134)은 팽창 및 수축이 가능하다. 예를 들면, 웨이퍼 흡착 부재(130)에 웨이퍼(W)를 흡착한 뒤, 연마공정을 진행하면, 주 압력관(190a)은 소정의 가스를 공급하여 멤브레인(134)를 팽창시켜 웨이퍼(W)가 연마패드(P)의 상부면에 밀착하여 연마공정이 수행되도록 한다. 연마공정이 완료되면, 주 압력관(190a)에 진공이 제공되어 멤브레인(134)을 수축 시킨다.

중앙 지지체(120)는 하부 몸체(140b)의 내측에 구비된다. 중앙 지지체(120)의 중앙에는 주 압력관(190a)이 관통될 수 있는 통로가 형성되며, 주 압력관(190a)은 상기 통로를 따라 중앙 지지체(120)와 다공판(132) 사이에 형성된 진공 공간(138)까지 연결된다. 또한, 중앙 지지체(120)는 복수의 고정판(170a, 170b)에 의해 중앙 지지체(120)의 하부에 웨이퍼 흡착 부재(120)의 다공판(132)과 결합된다.

슬러리 공급부재(200)은 연마 공정시 슬러리(slurry)를 연마패드(P)의 표면에 도포한다. 슬러리는 반응시약(예를 들면, 산화폴리싱용 탈이온수), 마찰입자(예를 들면, 산화폴리싱용 이산화규소), 그리고 화학 반응 촉매(예를 들면, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함하는 웨이퍼 연마제이다. 슬러리 공급 부재(200)는 그루브와 공급홀들을 가진다. 그루브(groove)는 리테이너 링(160)의 외주면과 내주면 사이를 관통하도록 형성된다. 리테이너 링(160)의 외주면과 내주면 사이에는 8개의 그루브(groove)가 형성될 수 있다. 각각의 그루브들은 웨이퍼의 반경 방향으로부터 소정의 각도로 기울어져 형성될 수 있다. 공급홀들은 그루브와 통하도록 리테이너 링 내에 형성된다. 각각의 그루브 전체에 공급홀들이 연결되거나, 그루브들 중 선택된 일부의 그루브들에만 공급홀들이 연결될 수 있다. 예컨대, 그루브들 중 120도 간격으로 공급홀(hole)들이 3개만 제공될 수 있다. 상기 공급홀들은 슬러리 공급부재(200)의 슬러리 공급 노즐과 연결된어 그루브들로 슬러리를 공급한다.

본 발명에서는 8개의 그루브들과 3개의 공급홀들이 120도 간격으로 형성되어 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 기술적 사상은 연마헤드의 리테이너 링에 슬러리 공급부재를 설치한 것에 특징이 있는 것으로, 이 경우에 슬러리 공급부재의 결합방식, 갯수, 설치 방법 등은 다양하게 변경 및 변형이 가능하며, 이러한 단순한 변경 및 변형은 본 발명의 범위에 포함된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드는 리 테이너 링에 슬러리 공급부재를 설치한다. 따라서, 슬러리가 리테이너 링의 그루브의 홀을 통하여 공급되므로써, 연마액의 사용량을 절감하는 동시에 효율적인 연마를 수행할 수 있다.

Claims

공기 유로를 구비하는 헤드 몸체;

상기 헤드 본체의 하부에 위치하고, 복수의 진공홀들이 형성되는 다공판;

상기 다공판을 피복하는 멤브레인;

상기 헤드 몸체의 하부에 상기 멤브레인의 외주면을 따라 환형으로 구비되고, 상기 멤브레인에 의해 파지된 웨이퍼를 유지하는 리테이너 링(retainer ring);

상기 리테이너 링에 제공되며, 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부재를 포함하되,

상기 슬러리 공급부재는 상기 리테이너 링 하단의 내주연 및 외주연 사이를 관통하도록 형성되며,슬러리가 이동되는 유로로서 제공되는 적어도 하나의 그루브(groove) 및 상기 그루브와 통하도록 상기 리테니어 링 내에 형성되며, 상기 그루브로 슬러리를 공급하는 슬러리 공급홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 그루브는 복수개인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 그루브는 웨이퍼의 반경 방향으로부터 소정의 각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 2항에 있어서,

상기 슬러리 공급홀들은 상기 그루브들 중 선택된 일부에만 통하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.