KR20080058318A - 기판 유지 장치 - Google Patents

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KR20080058318A
KR20080058318A KR1020080056555A KR20080056555A KR20080058318A KR 20080058318 A KR20080058318 A KR 20080058318A KR 1020080056555 A KR1020080056555 A KR 1020080056555A KR 20080056555 A KR20080056555 A KR 20080056555A KR 20080058318 A KR20080058318 A KR 20080058318A
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이쿠타로 노지
게이스케 나미키
호즈미 야스다
순이치로 고지마
구니히코 사쿠라이
노부유키 다카다
오사무 나베야
마고토 후쿠시마
히데키 다카야나기
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 폴리싱될 기판을 유지시키고, 상기 기판을 폴리싱면에 대해 가압하는 기판 유지 장치에 관한 것이다. 상기 기판 유지 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 패드; 상기 탄성 패드를 지지하는 지지 부재를 포함하여 이루어진다. 상기 기판 유지 장치는, 상기 지지 부재의 하부면 상에 장착되고 상기 탄성 패드와 상기 지지 부재에 의하여 형성되는 공간 내에 배치되는 접촉 부재를 더 포함한다. 상기 접촉 부재는 상기 탄성 패드와 접촉하게 되는 탄성 멤브레인을 구비한다. 제1압력챔버는 상기 접촉 부재 내에 형성되고, 제2압력챔버는 상기 접촉 부재의 외측에 형성된다. 상기 기판 유지 장치는, 상기 제1압력챔버와 제2압력챔버 안으로 유체를 독립적으로 공급하거나 상기 챔버들 내부를 진공 상태로 만드는 유체원을 더 포함한다.
Figure P1020080056555
기판지지, 탄성 멤브레인, 접촉 부재, 압력 챔버, 진공

Description

기판 유지 장치{SUBSTRATE HOLDING APPARATUS}
본 발명은 폴리싱될 기판을 유지시키고 상기 기판을 폴리싱면에 대하여 가압시키는 기판 유지 장치에 관한 것으로서, 특히 기판을 폴리싱하는 폴리싱 장치에 있어서 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 유지시키는 기판 유지 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스 제조 공정에 있어서, 박막이 반도체 디바이스 상에 형성된 후, 홀 형성 또는 패터닝과 같은 마이크로가공 공정이 수행된다. 그런 다음, 반도체 디바이스 상에 박막을 형성하도록 상기 공정들이 반복된다. 최근에는, 반도체 디바이스들이 더욱 집적화되고, 반도체 구성요소들의 구조는 더욱 복잡해졌다. 또한, 논리 시스템에 사용된 다층 배선의 층들의 수가 증가되었다. 따라서, 반도체 디바이스 표면상의 불규칙성이 증가됨으로써, 반도체 디바이스의 표면상의 스텝 높이가 좀더 높아지게 되었다.
반도체 디바이스 표면의 불규칙성이 증가되면, 다음의 문제들이 발생한다. 스텝을 갖는 부분에 형성된 막의 두께가 비교적 작게 된다. 배선의 단선에 의하여 개방 회로가 야기되거나, 층들 간의 불충분한 절연에 의하여 단락 회로가 야기된다. 그 결과, 양호한 제품을 얻을 수 없고, 수율이 감소된다. 또한, 반도체 디바이 스가 처음에는 정상적으로 작동하더라도, 장시간 사용 후에는 반도체 디바이스의 신뢰성이 저하된다. 리소그래피 공정에서 노광할 때에, 조사면이 불규칙성을 가진다면, 노광 시스템의 렌즈 유닛은 국부적으로 초점이 맞지 않는다. 따라서, 반도체 디바이스의 표면의 불균일성이 증가된다면, 반도체 디바이스 상에 미세한 패턴을 형성하는 것이 어렵게 된다.
따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하는 것이 더욱 중요해진다. 평탄화 기술 중 가장 중요한 하나는 화학적 기계적 폴리싱(CMP)이다. 폴리싱 장치를 사용하는 화학적 기계적 폴리싱에 있어서는, 그 내부에 실리카(SiO2)와 같은 연마제를 함유하는 폴리싱액이 폴리싱 패드와 같은 폴리싱면 상으로 공급되면서, 반도체 웨이퍼와 같은 기판이 상기 폴리싱면에 슬라이딩 접촉이 이루어짐으로써, 상기 기판이 폴리싱된다.
이러한 형태의 폴리싱 장치는, 폴리싱 패드에 의하여 구성된 폴리싱면을 구비한 폴리싱 테이블과, 반도체 웨이퍼를 잡아주는 톱 링 또는 캐리어 헤드와 같은 기판 유지 장치를 포함하여 이루어진다. 이러한 형태의 폴리싱 장치로 반도체 웨이퍼가 폴리싱될 때에, 반도체 웨이퍼는 기판 유지 장치에 의하여 유지되고, 상기 폴리싱 테이블에 대하여 소정의 압력하에 가압된다. 이 때, 상기 폴리싱 테이블과 기판 유지 장치는 서로에 대하여 상대적으로 이동되어, 반도체 웨이퍼가 폴리싱면과 슬라이딩 접촉하도록 함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면이 평탄한 경면 마무리로 폴리싱되게 한다.
반도체 웨이퍼와 폴리싱 패드의 폴리싱면 간에 생성된 가압력이 반도체 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 균일하지 않다면, 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력에 따라 상기 반도체 웨이퍼가 불충분하게 또는 과도하게 폴리싱된다. 따라서, 기판 유지 장치의 고정면은 고무와 같은 탄성 물질의 탄성 멤브레인에 의하여 형성되어, 반도체 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력이 균일해지도록, 탄성 멤브레인의 이면에 공기압과 같은 유체 압력이 가해지는 것이 시도되어 왔다.
폴리싱 패드는 탄성적이어서, 반도체 웨이퍼의 주위 부분에 가해지는 가압력이 불균일해지며, 이에 따라 반도체 웨이퍼의 주위 부분이 과도하게 폴리싱되어 에지 라운딩(edge rounding)이 발생한다. 이러한 에지 라운딩을 방지하기 위하여, 반도체 웨이퍼의 주위 부분이 가이드 링 또는 리테이너 링에 의하여 유지되고, 반도체 웨이퍼의 주위 부분에 대응하는 폴리싱면의 환형 부분이 가이드 링 또는 리테이너 링에 의하여 가압되는 기판 유지 장치가 사용되어 왔다.
반도체 웨이퍼의 표면상에 형성된 박막의 두께는 막 퇴적 방법 또는 막 퇴적 장치의 특성에 따라 반도체 웨이퍼의 반경 방향으로 위치에 따라 변한다. 특히, 박막은 반도체 웨이퍼의 반경 방향으로 막 두께 분포를 가진다. 반도체 웨이퍼를 폴리싱하기 위하여, 반도체 웨이퍼의 전체 표면을 균일하게 가압시키는 종래의 기판 유지 장치가 사용되면, 반도체 웨이퍼의 전체 표면이 균일하게 폴리싱된다. 따라서, 종래의 기판 유지 장치는 반도체 웨이퍼의 표면상의 막 두께 분포와 동일한 폴리싱량 분포(polishing amount distribution)를 실현할 수 없게 되고, 이에 따라 반경 방향으로의 막 두께 분포를 충분히 대처할 수 없게 되어, 불충분하거나 과도한 폴리싱을 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼의 표면상의 막 두께 분포는 막 퇴적 방법 또는 막 퇴적 장치의 형태에 따라 변한다. 특히, 막 퇴적 방법 또는 막 퇴적 장치의 형태에 따라, 반경 방향으로의 막 두께가 큰 위치 및 막 두께가 큰 부분의 수 및 박막 부분과 후막 부분간의 두께 차이가 변한다. 따라서, 특정한 막 두께 분포만을 대처할 수 있는 기판 유지 장치보다는 저렴한 비용으로 다양한 막 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있는 기판 유지 장치가 요구되어 왔다.
본 발명은 상기 단점의 관점에서 만들어졌다. 따라서, 본 발명의 목적은 기판의 표면상에 형성된 박막의 두께 분포에 따라 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱하고, 폴리싱 후에 막 두께의 균일성을 얻을 수 있는 기판 유지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특정한 막 두께 분포뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 다양한 막 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있는 기판 유지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 형태에 따르면, 폴리싱될 기판을 유지시키고 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압시키는 기판 유지 장치를 제공하며, 상기 기판 유지 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 패드; 상기 탄성 패드를 지지하는 지지 부재; 상기 지지 부재의 하부면 상에 장착되고 상기 탄성 패드와 상 기 지지 부재에 의하여 형성된 공간 내에 배치되며, 상기 탄성 패드와 접촉하게 되는 탄성 멤브레인을 구비한 접촉 부재; 상기 접촉 부재 내에 형성된 제1압력챔버; 상기 접촉 부재의 외측에 형성된 제2압력챔버; 및 상기 제1압력챔버와 제2압력챔버 안으로 유체를 독립적으로 공급하거나 상기 챔버들 내부를 진공 상태로 만드는 유체원을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 폴리싱될 기판을 유지시키고 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압시키는 기판 유지 장치를 제공하며, 상기 기판 유지 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 상기 기판의 주위 부분의 상부면과 접촉하게 되는 시일 링; 상기 시일 링을 지지하는 지지 부재; 상기 지지 부재의 하부면 상에 장착되고 상기 기판과 시일 부재 및 상기 지지 부재에 의하여 형성된 공간 내에 배치되고, 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 멤브레인을 구비한 접촉 부재; 상기 접촉 부재 내에 형성된 제1압력챔버; 상기 접촉 부재의 외측에 형성된 제2압력챔버; 및 상기 제1압력챔버와 제2압력챔버 안으로 유체를 독립적으로 공급하거나 상기 챔버들 내부를 진공 상태로 만드는 유체원을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 폴리싱될 기판을 유지시키고 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압시키는 기판 유지 장치를 제공하며, 상기 기판 유지 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 지지 부재의 하부면 상에 장착되고 상기 기판과 상기 지지 부재에 의하여 형성된 공간 내에 배치되어 있는 접촉 부재를 구비하며, 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 멤브레인을 구비한 지지 부재; 상기 접촉 부재 내에 형성된 제1압력챔버; 상기 접촉 부재의 외측에 형성된 제2압력챔버; 및 상기 제1압 력챔버와 제2압력챔버 안으로 유체를 독립적으로 공급하거나 상기 챔버들 내부를 진공 상태로 만드는 유체원을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 폴리싱될 기판을 유지시키고 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압시키는 기판 유지 장치를 제공하며, 상기 기판 유지 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 패드; 상기 탄성 패드를 지지하는 지지 부재; 및 상기 지지 부재의 하부면 상에 장착되고, 상기 탄성 패드와 접촉하게 되는 탄성 멤브레인을 구비하며, 상기 탄성 패드에 대해 독립적으로 가압되는 복수의 접촉 부재를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 제1압력챔버와 제2압력챔버 내의 압력이 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 기판상의 박막의 더 두꺼운 영역에 가해지는 가압력은, 상기 박막의 더 얇은 영역에 가해지는 가압력보다 더 높게 형성될 수 있고, 이에 따라 상기 박막의 더 두꺼운 영역의 폴리싱 속도를 선택적으로 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 기판의 전체 표면은, 박막이 형성되는 때에 얻어진 막 두께 분포에 관계없이 소정의 레벨로 정확하게 폴리싱될 수 있다. 상기 가압력은 기판을 폴리싱면에 대해 가압시키기 위한 단위 면적당 압력이다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 유체원은 온도가 제어된 유체를 제1압력챔버 및 제2압력챔버 안으로 각각 공급한다. 복수의 접촉 부재는 소정의 간격으로 떨어져 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 제1압력챔버로 공급된 유체를 기판의 접촉면에 접촉시키는 연통부는 상기 접촉 부재의 탄성 멤브레인의 하부면에 형성된 다. 압력챔버들에 공급되는 가압된 유체의 온도가 제어될 때, 기판의 온도는 폴리싱될 표면의 이면으로부터 제어되고, 상기 형태는 온도가 제어된 가압된 유체가 기판과 접촉하게 되는 영역을 증가시킬 수 있다. 따라서, 기판의 온도에 대한 제어성이 향상될 수 있다. 또한, 기판의 폴리싱이 종료되어, 상기 기판이 해제될 때, 압력챔버는 각각 상기 연통부를 통해 외부 공기에 개방된다. 따라서, 압력챔버들 안으로 공급된 유체가 상기 압력챔버 내에 남아 있는 것이 방지된다. 따라서, 기판이 계속해서 폴리싱되더라도, 기판의 온도에 대한 제어성이 유지될 수 있다.
시일 링을 포함하여 이루어지는 기판 유지 장치에 있어서, 지지 부재의 하부면은 기판이 해제된 후 덮여지지 않는다. 따라서, 기판이 해제된 후, 지지 부재의 하부면의 넓은 부분이 노출되므로, 상기 기판 유지 장치는 폴리싱 처리 후에 용이하게 세정될 수 있다. 탄성 패드를 포함하여 이루어지는 기판 유지 장치 또는 시일 링을 포함하여 이루어지는 기판 유지 장치 중 어느 하나에 있어서, 지지 부재는 바람직하게는 수지 또는 세라믹과 같은 절연 물질로 만들어져야 한다. 상기 시일 링은 바람직하게는 노치 또는 오리엔테이션 플랫(orientation flat)과 같은 후퇴부의 가장 안쪽의 위치로부터 반경 방향 안쪽으로 연장되어야 하는데, 이는 기판의 배향을 인식하거나 확인하기 위함이다.
본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 접촉 부재는 탄성 멤브레인을 분리가능하게 유지시키는 유지 부재를 포함한다. 이러한 형태에 의하여, 상기 접촉 부재의 탄성 멤브레인은 서로 용이하게 교체될 수 있고, 이에 따라 제1압력챔버와 제2압력챔버의 위치 및 크기가 접촉 부재의 탄성 멤브레인의 교환에 의하여 간단하게 바뀔 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 기판 유지 장치는 저렴한 비용으로 폴리싱될 기판 상에 형성된 박막의 다양한 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 접촉 부재의 유지 부재는 지지 부재 상에 분리가능하게 장착된다. 이러한 형태에 의하여, 상기 접촉 부재는 서로 용이하게 교체될 수 있고, 이에 따라 제1압력챔버와 제2압력챔버의 위치 및 크기가 접촉 부재의 교환에 의하여 간단하게 바뀔 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 기판 유지 장치는 저렴한 비용으로 폴리싱될 기판상에 형성된 박막의 다양한 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 탄성 멤브레인의 하부면에는 접촉 부재의 탄성 멤브레인의 원주 에지로부터 반경 방향으로 돌출되는 돌출부가 제공된다. 상기 돌출부는 제2압력챔버로 공급되는 가압된 유체에 의하여 탄성 패드 또는 기판과 밀착하게 됨으로써, 가압된 유체가 접촉 부재의 하부면 내로 흐르는 것을 방지한다. 이에 따라, 압력 제어의 범위가 넓어짐으로써, 폴리싱면에 대하여 기판을 가압하는 것이 더욱 안정하게 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 접촉 부재는 기판의 중앙부에 대응하는 위치에 배치된 중앙 접촉 부재와, 상기 중앙 접촉 부재의 외측에 배치된 외측 접촉 부재를 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 외측 접촉 부재는 기판의 외주부에 대응하는 위치에 장착된다. 이러한 형태에 의하여, 폴리싱면의 탄성 변형 또는 폴리싱액이 폴리싱면과 기판 사이의 공간 안으로 들어가는 것으로 인한 영향을 억제하도록, 기판의 주위부에 가해지는 가압력이 적절하게 제어되고, 이에 따라 기판의 주위부를 균일하게 폴리싱할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 기판 유지 장치는 기판의 주위부를 유지시키는 톱 링 본체에 고정되거나 톱 링 본체와 일체형으로 형성된 리테이너 링을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 톱 링 본체는 그 내부에 형성되어, 탄성 패드의 외주면과 리테이너 링 사이에 형성된 갭 안으로 세정액을 공급하는 세정액 통로를 포함하여 이루어진다. 세정액(순수)이 상기 세정액 통로로부터 탄성 패드의 외주면과 리테이너 링 사이에 형성된 갭 안으로 공급되면, 상기 갭 안의 폴리싱액은 깨끗이 씻겨져, 갭 안의 폴리싱액의 퇴적물이 제거된다. 따라서, 지지 부재, 탄성 패드 또는 기판은 상기 톱 링 본체 및 리테이너 링에 대하여 수직 방향으로 원활하게 이동될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 리테이너 링은 상기 리테이너 링과 톱 링 본체 사이에 탄성 부재를 개재시키지 않고 상기 톱 링 본체에 고정된다. 고무와 같은 탄성 부재가 상기 리테이너 링과 톱 링 본체 사이에 클램핑된다면, 상기 탄성 부재의 탄성 변형으로 인하여 상기 리테이너 링의 하부면 상에는 소정의 수평면이 유지될 수 없다. 그러나, 상기 형태는 상기 리테이너 링의 하부면 상에 소정의 수평면을 유지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 있어서, 접촉 부재의 탄성 멤브레인은 부분적으로 상이한 두께를 가지거나, 부분적으로 비탄성 부재를 포함한다. 이러한 형태에 의하여, 제1 및 제2압력챔버 내의 압력으로 인한 탄성 멤브레인의 변형이 최적화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 상기 기판 유지 장치 및 폴리싱면을 구비한 폴리싱 테이블을 포함하여 이루어지는 폴리싱 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 폴리싱될 기판을 유지시키고, 상기 기판을 폴리싱면에 대하여 가압시키는 기판 유지 장치가 제공되며, 상기 장치는, 기판을 유지시키는 톱 링 본체; 상기 기판과 접촉되어 고정되는 탄성 물질로 형성되는 복수의 환형 부재; 상기 복수의 환형 부재에 의해 형성되고, 아래쪽으로 개방되어 있는 복수의 단면; 및 상기 복수의 단면 내로 유체를 공급하는 유체 통로를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 기판을 폴리싱하는 폴리싱 방법이 제공되며, 상기 방법은, 폴리싱 테이블 상에 제공된 폴리싱면에 대하여 기판을 가압하는 단계; 및 상기 기판상의 박막의 더 두꺼운 영역에 가해진 가압력이 상기 박막의 더 얇은 영역에 가해진 가압력보다 더 높은 상태로 기판을 폴리싱하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 기판을 폴리싱하는 폴리싱 방법이 제공되며, 상기 방법은, 폴리싱 테이블 상에 제공된 폴리싱면에 대하여 기판을 가압하는 단계; 기판과 접촉되어 고정되는 탄성 물질로 형성되는 복수의 환형 부재에 의하여 아래쪽으로 개방된 복수의 단면을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 단면 내로 유체를 공급하거나 상기 복수의 단면을 진공 상태로 만드는 단계를 포함하여 이루어진 다.
본 발명에 따르면, 기판의 표면상에 형성된 박막의 두께 분포에 따라 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱하고, 폴리싱 후에 막 두께의 균일성을 얻을 수 있는 기판 유지 장치를 제공하고, 특정한 막 두께 분포뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 다양한 막 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있는 기판 유지 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 목적 및 또 다른 목적, 특징 및 장점들은, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 첨부 도면과 연계하여 예시를 통하여 아래에 설명함으로써 명백해질 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 폴리싱 장치를 도 1 내지 도 6을 참조하여 아래에 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판 유지 장치를 구비한 폴리싱 장치의 전체 구조를 도시한 단면도이다. 상기 기판 유지 장치는 반도체 웨이퍼와 같은 폴리싱될 기판을 고정시키고, 폴리싱 테이블의 폴리싱면에 대하여 상기 기판을 가압시키는 역할을 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 폴리싱 테이블(100)은 본 발명에 따른 기판 유지 장치를 구성하는 톱 링(1) 바로 밑에 배치되고, 그 상부면에 부착된 폴리싱 패드(101)를 구비한다. 폴리싱액 공급 노즐(102)은 상기 폴리싱 테이블(100) 위쪽에 배치되어, 상기 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱 패드(101) 위로 폴리싱액(Q)을 공급한다.
각종 폴리싱 패드가 시판되고 있다. 예를 들면, Rodel사에서 제조된 SUBA800, IC-1000 및 IC-1000/SUBA400(2층 포)와, Fujimi사에서 제조된 Surfin xxx-5 및 Surfin 000 등이 있다. SUBA800, Surfin xxx-5 및 Surfin 000는 우레탄 수지에 의하여 결합된 부직포이고, IC-1000은 경질의 발포 폴리우레탄(rigid foam polyurethane)(단층)이다. 발포 폴리우레탄은 다공성이고, 그 표면에 형성된 수많은 미세 후퇴부 또는 구멍들을 가진다.
상기 톱 링(1)은 유니버설 조인트(10)에 의하여 톱 링 구동 샤프트(11)에 연결된다. 상기 톱 링 구동 샤프트(11)는 톱 링 헤드(110)에 고정된 톱 링 공기 실린더(111)에 커플링된다. 상기 톱 링 공기 실린더(111)는 상기 톱 링 구동 샤프트(11)가 수직으로 이동하도록 작동하여, 상기 톱 링(1) 전체를 승강시킨다. 상기 톱 링 공기 실린더(111)는 또한 톱 링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너 링(3)을 폴리싱 테이블(100)에 대하여 가압시키기 위하여 작동한다. 상기 톱 링 공기 실린더(111)는 레귤레이터(R1)를 통해 압축 공기원(유체원)(120)에 연결되고, 상기 레귤레이터는 상기 톱 링 공기 실린더(111)에 가해지는 공기의 압력을 조절하여, 상기 리테이너 링(3)이 폴리싱 패드(101)를 가압시키는 가압력을 조정한다.
상기 톱 링 구동 샤프트(11)는 키(도시되지 않음)에 의하여 로터리 슬리브(112)에 연결된다. 상기 로터리 슬리브(112)는 그 둘레에 고정적으로 배치된 타이밍 풀리(113)를 구비한다. 구동 샤프트를 구비한 톱 링 모터(114)는 상기 톱 링 헤드(110)의 상부면에 고정된다. 상기 타이밍 풀리(113)는 타이밍 벨트(115)에 의하여 톱 링 모터(114)의 구동 샤프트 상에 장착된 타이밍 풀리(116)와 작동하도록 커플링된다. 상기 톱 링 모터(114)가 구동되면, 타이밍 풀리(116), 타이밍 벨트(116) 및 타이밍 풀리(113)는 로터리 슬리브(112)와 톱 링 구동 샤프트(11)를 서로 일치하여 회전하도록 회전됨으로써, 상기 톱 링(1)을 회전시킨다. 상기 톱 링 헤드(110)는 프레임(도시되지 않음) 상에 고정적으로 지지되는 톱 링 헤드 샤프트(117)에 지지된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 기판 유지 장치의 톱 링(1)을 아래에 설명한다. 도 2는 제1실시예에 따른 톱 링(1)을 도시한 수직 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 상기 톱 링(1)의 저면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 톱 링(1)은 저장 공간이 그 안에 형성된 원통형 하우징 형태의 톱 링 본체(2)와, 상기 톱 링 본체(2)의 하단에 고정된 리테이너 링(3)을 포함하여 이루어진다. 상기 톱 링 본체(2)는 금속 또는 세라믹과 같은 높은 강도 및 강성을 갖는 물질로 만들어진다. 상기 리테이너 링(3)은 고강성 합성수지, 세라믹 등으로 만들어진다.
상기 톱 링 본체(2)는 원통형 하우징(2a), 상기 원통형 하우징(2a)에 끼워지는 환형 가압 시트 지지부(2b) 및 상기 원통형 하우징(2a)의 상부면의 외주 에지 위에 끼워지는 환형 시일(2c)을 포함하여 이루어진다. 상기 리테이너 링(3)은 원통형 하우징(2a)의 하단에 고정되고, 반경 방향 안쪽으로 돌출한 하부를 가진다. 상기 리테이너 링(3)은 상기 톱 링 본체(2)와 일체형으로 성형될 수 있다.
상기 톱 링 구동 샤프트(11)는 원통형 하우징(2a)의 중앙 위쪽에 배치된다. 상기 톱 링 본체(2)는 유니버설 조인트(10)에 의하여 톱 링 구동 샤프트(11)에 커 플링된다. 상기 유니버설 조인트(10)는 이것에 의하여 상기 톱 링 본체(2)와 톱 링 구동 샤프트(11)가 서로에 대해 기울어질 수 있는 구면 베어링 기구와, 상기 톱 링 구동 샤프트(11)의 회전을 톱 링 본체(2)로 전달하는 회전 전달 기구를 구비한다. 상기 회전 전달 기구 및 구면 베어링 기구는, 톱 링 본체(2)와 톱 링 구동 샤프트(11)를 서로에 대해 기울어지게 하면서, 상기 톱 링 구동 샤프트(11)로부터 상기 톱 링 본체(2)로 가압력과 회전력을 전달한다.
상기 구면 베어링 기구는 상기 톱 링 구동 샤프트(11)의 하부면 중앙에 형성된 구면 후퇴부(11a)와, 상기 하우징(2a)의 상부면 중앙에 형성된 구면 후퇴부(2d) 및 세라믹과 같은 고경도 물질로 만들어지고, 상기 구면 후퇴부(11a, 2d) 사이에 개재되는 베어링 볼(12)을 포함하여 이루어진다. 상기 회전 전달 기구는 상기 톱 링 구동 샤프트(11)에 고정된 구동 핀(도시되지 않음)과, 상기 하우징(2a)에 고정된 구동 핀(도시되지 않음)을 포함한다. 상기 구동 핀과 피구동 핀이 서로에 대해 수직으로 이동가능하게 되면서, 상기 구동 핀은 상기 피구동 핀과 맞물리게 구동되어 고정된다. 상기 톱 링 구동 샤프트(11)의 회전은 상기 구동 핀과 피구동 핀을 통해 상기 톱 링 본체(2)로 전달된다. 상기 톱 링 본체(2)가 상기 톱 링 구동 샤프트(11)에 대해 기울어지더라도, 상기 구동 핀과 피구동 핀은 이동 접촉점에서 서로 맞물려 유지됨으로써, 상기 톱 링 구동 샤프트(11)의 토크가 상기 톱 링 본체(2)로 신뢰성 있게 전달될 수 있다.
톱 링 본체(2)와 상기 톱 링 본체(2)에 고정된 리테이너 링(3)은 그 안에 형성된 공간을 공동으로 구비하는데, 이 공간은 그 내부에 톱 링(1), 환형 홀더 링(5) 및 탄성 패드(4)를 지지하기 위한 디스크형 척킹 판(지지 부재)(6)에 의해 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상부면과 접촉하게 되는 하단면을 구비한 탄성 패드(4)를 수용한다. 상기 탄성 패드(4)는 홀더 링(5)과 상기 홀더 링(5)의 하단에 고정된 척킹 판(6) 사이에 클램핑된 반경 방향의 외측 에지를 구비하고, 상기 척킹 판(6)의 하부면을 덮기 위하여 반경 방향 안쪽으로 연장됨으로써, 상기 탄성 패드(4)와 척킹 판(6) 사이에 공간을 형성한다.
상기 척킹 판(6)은 금속으로 만들어질 수 있다. 그러나, 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성된 박막의 두께가, 폴리싱될 반도체 웨이퍼가 톱 링에 의해 유지되는 상태에서의 와전류를 사용하는 방법에 의하여 측정되는 경우, 상기 척킹 판(6)은 바람직하게는 비자성 물질, 예를 들면 플루오르화수지 또는 세라믹과 같은 절연 물질로 만들어져야 한다.
탄성 멤브레인을 포함하는 가압 시트(7)는 홀더 링(5)과 톱 링 본체(2) 사이에 연장되어 있다. 상기 가압 시트(7)는 에틸렌 프로필렌 고무(에틸렌-프로필렌 삼원혼성중합체(EPDM)), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등과 같은 높은 강도를 갖고 내구성이 있는 물질로 만들어진다. 상기 가압 시트(7)는 하우징(2a)과 가압 시트 지지부(2b) 사이에 클램핑된 반경 방향의 외측 에지와, 상기 홀더 링(5)의 상부(5a)와 스토퍼(5b) 사이에 클램핑된 반경 방향의 내측 에지를 구비한다. 상기 톱 링 본체(2), 척킹 판(6), 홀더 링(5) 및 가압 시트(7)는 공동으로 톱 링 본체(2) 내의 압력챔버(21)를 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브와 커넥터를 포함하는 유체 통로(31)는, 상기 유체 통로(31)에 연결된 레귤레이터(R2)를 통해 압축 공 기원(120)에 연결되는 압력챔버(21)와 연통한다.
고무와 같은 탄성 물질로 만들어진 가압 시트(7)의 경우, 상기 가압 시트(7)가 리테이너 링(3)과 톱 링 본체(2) 사이에 클램핑된다면, 가압 시트(7)는 탄성 물질로서 탄성적으로 변형되고, 소정의 수평면은 상기 리테이너 링(3)의 하부면 상에 유지될 수 없다. 상기 리테이너 링(3)의 하부면 상에 소정의 수평면을 유지시키기 위하여, 가압 시트(7)는 본 실시예에서 별도의 부재로서 제공된 가압 시트 지지부(2b)와 톱 링 본체(2)의 하우징(2a) 사이에 클램핑된다. 상기 리테이너 링(3)은 상기 톱 링 본체(2)에 대해 수직으로 이동될 수 있고, 또는 상기 톱 링(2)에 독립적으로 폴리싱면을 가압할 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 일본국 특개평 특허공보 제 9-168964호 및 일본국 특허출원 제 11-294503호(한국 특허출원 제 10-2000-0051259호에 대응됨)에 개시되어 있다. 이 경우, 가압 시트(7)는 반드시 상술한 방식으로 고정될 필요가 있는 것은 아니다.
환형 홈 형태의 세정액 통로(51)는 그 위에 시일(2c)이 끼워지는 그 외주 에지 근처 하우징(2a)의 상부면에 형성된다. 상기 세정액 통로(51)는 상기 시일(2c)에 형성된 관통 구멍(52)을 경유하여 유체 통로(32)와 연통되어 있고, 상기 유체 통로(32)를 경유하여 세정액(순수)이 공급된다. 복수의 연통 구멍(53)이 하우징(2a) 내에 형성되고, 가압 시트 지지부(2b)는 상기 세정액 통로(51)와 연통되어 있다. 상기 연통 구멍(53)은 탄성 패드(4)의 외주면과 리테이너 링(3)의 내주면 사이에 형성된 작은 갭(G)과 연통되어 있다. 상기 유체 통로(32)는 로터리 조인트(도시되지 않음)를 통해 세정액원(도시되지 않음)에 연결된다.
탄성 패드(4)와 척킹 판(6) 사이에 형성된 공간은 그 내부에 상기 탄성 패드(4)와 접촉하게 되는 중앙 접촉 부재로서 중앙 백(8)과, 상기 탄성 패드(4)와 접촉하게 되는 외측 접촉 부재로서 링 튜브(9)를 수용한다. 이들 접촉 부재는 상기 탄성 패드(4)와 맞닿게 될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 원형의 접촉면을 구비한 중앙 백(8)은 상기 척킹 판(6)의 하부면 중앙에 배치되고, 환형 접촉면을 구비한 링 튜브(9)는 중앙 백(8)의 반경 방향 바깥쪽으로 그것에 대해 둘러싸며 배치된다. 특히, 상기 중앙 백(8)과 링 튜브(9)는 소정의 간격으로 떨어져 있다. 각각의 탄성 패드(4)와 중앙 백(8) 및 링 튜브(9)는 에틸렌 프로필렌 고무(에틸렌-프로틸렌 삼원혼성중합체(EPDM)), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등과 같은 높은 강도를 갖고 내구성이 있는 물질로 만들어진다.
상기 척킹 판(6)과 탄성 패드(4) 사이에 형성된 공간은 상기 중앙 백(8)과 링 튜브(9)에 의하여 복수의 공간(제2압력챔버)으로 분할된다. 특히, 압력챔버(22)는 상기 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 사이에 형성되고, 압력챔버(23)는 상기 링 튜브(9)의 반경 방향 바깥쪽으로 형성된다.
중앙 백(8)은 탄성 패드(4)의 상부면에 접촉하게 되는 탄성 멤브레인(81) 및 적소에 탄성 멤브레인을 분리가능하게 유지시키는 중앙 백 홀더(유지 부재)(82)를 포함한다. 중앙 백 홀더(82)는 그 내부에 나사 구멍(82a)이 형성되어 있으며, 상기 나사 구멍(82a) 안으로 스크루(55)를 나사 결합함으로써 척킹 판(6)의 하부면 중앙에 분리가능하게 공급 노즐 중앙 백(8)에는 탄성 멤브레인(81)과 중앙 백 홀더(82)에 의하여 그 내부에 형성된 중앙 압력 챔버(제1압력 챔버)(24)가 있다.
유사하게, 링 튜브(9)는 탄성 패드(4)의 상부면과 접촉하게 되는 탄성 멤브레인(91) 및 적소에 탄성 멤브레인(91)을 분리가능하게 유지시키는 링 튜브 홀더(유지 부재)를 포함한다. 링 튜브 홀더(92)는 그 내부에 나사 구멍(92a)이 형성되어 있으며, 나사 구멍(92a) 안으로 스크루(56)를 나사 결합함으로써 척킹 판(6)의 하부면에 분리가능하게 체결된다. 링 튜브(9)는 탄성 멤브레인(91)과 링 튜브 홀더(92)에 의해 그 안에 배치되는 중간 압력 챔버(25)(제1압력챔버)를 포함한다.
*튜브 및 커넥터를 포함하는 유체 통로(33, 34, 35 및 36)는 압력 챔버(22, 23), 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)와 각각 연통되어 있다. 압력 챔버(22, 23, 24 및 25)는 유체 통로(33, 34, 35 및 36)에 각각 연결된 각각의 레귤레이터(R3, R4, R5 및 R6)를 통하여 압축공기원(120)에 연결된다. 유체 통로(31, 33, 34, 35 및 36)는 톱 링 구동 샤프트(11)의 상단부에 장착된 로터리 조인트(도시되지 않음)를 통하여 각각의 레귤레이터(R2, R3, R4, R5 및 R6)에 연결된다.
척킹 판(6) 상부의 압력 챔버(21)와 압력 챔버(22 내지 25)에는 유체 통로(31, 33, 34, 35 및 36)를 경유하여 가압된 공기나 대기 또는 가압된 유체가 공급되거나 또는 배기된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압력 챔버(21 내지 25)의 유체 통로(31, 33, 34, 35 및 36)에 연결된 레귤레이터(R2 내지 R6)는 압력 챔버(21 내지 25)로 공급되는 가압된 유체의 압력을 각각 조절할 수 있으며, 이는 압력 챔버(21 내지 25) 내의 압력을 독립적으로 제어하거나 압력 챔버(21 내지 25) 안으로 대기를 독립적으로 도입하거나 상기 챔버 안을 진공상태로 만들기 위함이다. 따라 서, 압력 챔버(21 내지 25) 내의 압력은 레귤레이터(R2 내지 R6)를 이용하여 독립적으로 변화되므로, 이로 인해 반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱 패드(101)에 대해 가압하는 단위 면적당 압력인 가압력이 탄성 패드(4)를 경유하여 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역에서 조정될 수 있다. 일부의 경우에는, 압력 챔버(21 내지 25)가 진공원(121)에 연결될 수도 있다.
이러한 경우에, 압력 챔버(22 내지 25)에 공급되는 가압된 유체 또는 대기는 온도가 독립적으로 제어될 수 있으며, 이는 폴리싱될 표면의 이면으로부터 반도체 웨이퍼의 온도를 직접 제어하기 위함이다. 특히, 각각의 압력 챔버들이 독립적으로 온도를 제어할 수 있는 경우에, 화학 반응 속도는 CMP의 화학적 폴리싱 공정에서 제어될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 개구부(41)가 탄성 패드(4)에 형성된다. 척킹 판(6)은 반경 방향 내부의 흡입부(61)와 그로부터 아래쪽으로 연장되어 있는 반경 방향 외부의 흡입부(62)를 갖는다. 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 사이에 위치한 상기 개구부(41)는 상기 내부의 흡입부(61)가 외부로 노출되게 하며, 링 튜브 외측에 위치한 개구부(41)는 외측 흡입부(62)가 외부로 노출되게 한다. 본 실시예에서, 탄성 패드(4)에는 8개의 개구부(41)가 있어서 8개의 흡입부(61. 62)가 노출되게 한다.
각각의 내부 흡입부(61)에는 유체 통로(37)와 연통되어 있는 구멍(61a)이 있으며, 각각의 외부 흡입부(62)에는 유체 통로(38)와 연통되어 있는 구멍(62a)이 있다. 따라서, 내부 흡입부(61) 및 외부 흡입부(62)는 각각의 유체 통로(37, 38) 및 밸브(V1, V2)를 경유하여 진공 펌프와 같은 진공원(121)에 연결된다. 진공원(121)에 의하여 흡입부(61, 62)가 배기되어 그것의 연통 구멍(61a, 62a)의 하부 개구부 끝단에서 부압이 조성되는 경우, 반도체 웨이퍼(W)는 부압에 의하여 흡입부(61, 62)의 하부 끝단으로 끌어당겨진다. 상기 흡입부(61, 62)는 얇은 고무 시트와 같은 탄성 시트(61b, 62b)를 구비하며, 이들 고무 시트는 상기 흡입부의 하부 끝단에 부착되는데, 이는 반도체 웨이퍼(W)를 상기 흡입부의 하부면에 탄성적으로 접촉 및 유지시키기 위함이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱될 때, 흡입부(61, 62)의 하단은 탄성 패드(4)의 하부면 위쪽에 위치되며, 이 경우 상기 탄성 패드(4)의 하부면으로부터 아래쪽으로 돌출하지 않는다. 반도체 웨이퍼(W)가 흡입부(61, 62)로 끌어당겨지는 경우, 상기 흡입부(61, 62)의 하단은 탄성 패드(4)의 하부면과 동일한 높이로 위치된다.
탄성 패드(4)의 외주면과 리테이너 링(3)의 내주면 사이에는 작은 갭(G)이 존재하기 때문에, 홀더 링(5), 척킹 판(6) 및 상기 척킹 판(6)에 부착된 탄성 패드(4)는 톱 링 본체(2) 및 리테이너 링(3)에 대하여 수직으로 이동될 수 있으므로, 톱 링 본체(2) 및 리테이너 링(3)에 대하여 부동 구조체(floating structure)이다. 복수의 티스(teeth)(5c)가 홀더 링(5) 스토퍼(5b)의 외주 에지로부터 반경 방향 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 홀더 링(5)이 아래쪽으로 움직일 때 상기 티스(5c)가 리테이너 링(3)의 반경 방향 안쪽으로 돌출하는 부분의 상부면과 맞물릴 경우, 상기 홀더 링(5)이 더 이상 아래로 이동되지 않도록 제한한다.
다음에는 상기한 톱 링(1)의 작동에 대해서 기술될 것이다.
반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱 장치로 운반되는 경우, 상기 톱 링(1)은 반도체 웨이퍼(W)가 이송되는 위치로 이동되며, 흡입부(61, 62)의 연통 구멍(61a, 62a)은 진공원(121)에 의하여 유체 통로(37, 38)를 경유하여 배기된다. 상기 반도체 웨이퍼(W)는 연통 구멍(61a, 62a)의 흡입 효과에 의하여 흡입부(61, 62)의 하단으로 끌어당겨진다. 반도체 웨이퍼(W)가 톱 링(1)으로 끌어당겨지면, 상기 톱 링(1)은 그 위에 폴리싱면(폴리싱 패드(101))을 구비한 폴리싱 테이블(100) 위쪽의 소정 위치로 이동된다. 리테이너 링(3)은 반도체 웨이퍼(W)의 외주 에지를 유지시켜, 반도체 웨이퍼(W)가 톱 링(1)으로부터 움직이지 않도록 한다.
이와 같이 반도체 웨이퍼(W)의 하부면을 폴리싱하기 위하여, 반도체 웨이퍼(W)는 톱 링(1)의 하부면 상에 유지되며, 톱 링 구동 샤프트(11)에 연결된 톱 링 에어 실린더(111)가 가동되어 소정 압력하에서 톱 링(1)의 하단에 고정된 리테이너 링(3)을 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱면에 대하여 가압하도록 작동한다. 그 다음, 가압된 유체는 각각의 압력으로 압력 챔버(22, 23), 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)로 따로따로 공급되며, 이렇게 함으로써 반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱면에 대해 가압한다. 그 다음 폴리싱액 공급 노즐(102)은 폴리싱액(Q)을 폴리싱 패드(101) 상으로 공급한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)는 폴리싱 패드(101)와 반도체 웨이퍼(W)의 폴리싱될 하부면 사이에 존재하고 있는 폴리싱액(Q)을 이용하여 상기 폴리싱 패드(101)에 의하여 폴리싱된다.
압력 챔버(22, 23) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역들이 압력 챔버(22, 23)로 공급되는 가압된 유체의 압력하에서 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다. 중앙 압력 챔버(24)의 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 중앙 압력 챔버(24)로 공급되는 가압된 유체의 압력하에서 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)과 탄성 패드(4)를 경유하여 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다. 중간 압력 챔버(25) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체에 의한 압력하에서 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)과 탄성 패드(4)를 경유하여 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다.
그러므로, 반도체 웨이퍼(W)의 각각의 국부 영역 상에 작용하는 폴리싱 압력은 각각의 압력 챔버(22 내지 25)에 공급되는 가압된 유체의 압력을 제어함으로써 독립적으로 조정될 수 있다. 특히, 각각의 레귤레이터(R3 내지 R6)는 압력 챔버(22 내지 25)로 공급되는 가압된 유체의 압력을 독립적으로 조절함으로써, 가해진 가압력을 조정하여 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역을 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱 패드(101)에 대해 가압하게 한다. 반도체 웨이퍼(W)의 각 국부 영역 상의 폴리싱 압력이 독립적으로 조정되면서, 상기 반도체 웨이퍼(W)는 회전되고 있는 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다. 유사하게는, 톱 링 에어 실린더(111)에 공급되는 가압된 유체의 압력은 레귤레이터(R1)에 의하여 조절되어 리테이너 링(3)이 폴리싱 패드(101)를 가압하는 힘을 조정하게 한다. 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱되고 있는 동안, 리테이너 링(3)이 폴리싱 패드(101)를 가압하는 힘과 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압되는 가압력이 적절하게 조정되어, 이에 따라 반도체 웨이퍼(W)의 중앙 영역(C1), 내부 영역(C2), 중간 영 역(C3) 및 주위 영역(C4)에 소정의 압력 분포로 폴리싱 압력을 가한다(도 3 참조).
압력 챔버(22, 23) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 탄성 패드(4)를 경유하여 유체로부터 가압력이 공급되는 영역과 개구부(41) 아래에 위치하는 영역과 같이 가압된 유체에 의한 압력이 직접 가해지는 영역으로 나뉘어진다. 하지만, 이들 2개의 영역에 가해진 가압력은 서로 동일하다. 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱될 때, 탄성 패드(4)는 개구부(41)에 가까운 반도체 웨이퍼(W)의 상부면과 밀착하게 되므로, 압력 챔버(22, 23)에 공급되는 가압된 유체가 외부로 흘러나가는 것을 방지한다.
이러한 방식으로, 반도체 웨이퍼(W)는 동심원 및 환형의 영역(C1 내지 C4)으로 분할되어, 독립적인 가압력으로 가압될 수 있다. 상기 동심원 및 환형의 영역(C1 내지 C4)에 가해진 가압력에 의존하는 상기 영역의 폴리싱 속도는, 상기 영역에 가해진 가압력이 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 독립적으로 제어될 수 있다. 결과적으로, 반경 방향으로 반도체 웨이퍼(W) 표면의 폴리싱될 박막의 두께가 변하더라도, 반도체 웨이퍼(W) 표면의 박막은 불충분하거나 과도하게 폴리싱 되지 않고 균일하게 폴리싱될 수 있다. 더욱 상세하게는, 반도체 웨이퍼(W)의 반경 방향 위치에 따라 반도체 웨이퍼(W) 표면의 폴리싱될 박막의 두께가 다르더라도, 박막의 더 두꺼운 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력이 박막의 더 얇은 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버의 압력보다 더 높아지거나 박막의 더 얇은 영역 박막 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력이 박막의 더 두꺼운 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력보다 더 낮아지게 된다. 이러한 방식으로, 박막의 더 두꺼운 영역에 가해진 가압력이 박막의 더 얇은 영역에 가해진 가압력보다 높아짐으로써, 박막의 더 두꺼운 영역의 폴리싱 속도를 선택적으로 증가시킨다. 결과적으로, 반도체 웨이퍼(W)의 전체 표면은 박막이 형성될 때 얻어지는 멤브레인의 두께 분포에 관계없이 소정의 높이로 정확하게 폴리싱될 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 원주 에지 위의 불필요한 에지 라운딩(edge rounding)은 리테이너 링(3)에 가해지는 가압력을 제어함으로써 방지될 수 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 원주 에지 상의 폴리싱될 박막의 두께 변화가 크다면, 리테이너 링(3)에 가해지는 가압력을 의도적으로 증가시키거나 감소시켜서 반도체 웨이퍼(W)의 원주 에지를 폴리싱하는 속도를 제어한다. 가압된 유체가 압력 챔버(22 내지 25)로 공급되는 경우, 척킹 판(6)은 상방향으로 힘을 받기 쉽다. 본 실시예에서는, 가압된 유체가 유체 통로(31)를 경유하여 압력 챔버(21)에 공급되어 압력 챔버(22 내지 25)로부터의 힘으로 척킹 판(6)이 들려 올라가는 것을 방지한다.
상술된 바와 같이, 리테이너 링(3)을 폴리싱 패드(101)에 대해 가압하기 위해서 톱 링 에어 실린더(111)에 의하여 가해지는 가압력 및 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역을 폴리싱 패드(101)에 대해 가압하기 위해서 압력 챔버(22 내지 25)로 공급되는 가압된 유체에 의하여 가압된 가압력이 적절하게 조정되어 반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱한다. 반도체 웨이퍼(W) 폴리싱이 완료되었을 때, 반도체 웨이퍼(W)는 상술된 바와 동일한 방식으로 진공하에서 흡입부(61, 62)의 하단으로 끌어당겨진다. 이 때, 압력 챔버(22 내지 25) 안으로 가압된 유체의 공급이 중단되며, 압력 챔버(22 내지 25)는 대기에 통하게 된다. 따라서, 흡입부(61, 62)의 하단이 반도체 웨이퍼(W)와 접촉하게 된다. 압력 챔버(21)는 대기와 통하게 되거나 배기되어 그 내부에서는 부압이 조성된다. 상기 압력 챔버(21)가 고압을 유지한다면, 반도체 웨이퍼(W)는 흡입구(61, 62)와 접촉하게 되는 영역에서만 폴리싱면에 대하여 강하게 가압된다. 그러므로, 압력 챔버(21) 내의 압력을 즉시 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 톱 링 본체(2)를 관통하는 릴리프 포트(39)가 제공되어 즉시 압력 챔버 내의 압력을 줄일 수 있다. 이 경우에, 압력 챔버(21)가 가압되는 경우, 가압된 유체를 유체 통로(31)를 경유하여 압력 챔버(21) 안으로 연속적으로 공급할 필요가 있다. 상기 릴리프 포트(39)는 압력 챔버(21) 내의 부압이 조성될 때, 외부 공기가 압력 챔버(21) 안으로 유입되는 것을 방지하는 체크 밸브(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다.
반도체 웨이퍼(W)가 흡입부(61, 62)의 하단으로 끌어당겨진 후에, 전체 톱 링(1)은 반도체 웨이퍼(W)가 이송될 위치로 이동된다. 그 다음, 압축된 공기 또는 질소와 순수의 혼합물과 같은 유체가 흡입부(61, 62)의 연통 구멍(61a, 62a)을 경유하여 반도체 웨이퍼(W)로 분출되어, 톱 링(1)으로부터 반도체 웨이퍼(W)를 해제시킨다.
반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱하는 데 사용되는 폴리싱액(Q)은 탄성 패드(4)의 외주면과 리테이너 링(3) 사이의 갭(G)을 통하여 흐르려는 경향이 있다. 상기 폴리싱액(Q)이 상기 틈새(G) 내에 퇴적되어 굳어진다면, 홀더 링(5), 척킹 판(6) 및 탄성 패드(4)는 톱 링 본체(2)와 리테이너 링(3)에 대해 수직으로 원활하게 이동하지 못하게 한다. 이러한 결점을 피하기 위하여, 세정액(순수)이 유체 통로(32)를 통하 여 세정액 통로(51)로 공급된다. 따라서, 순수는 연통 구멍(53)을 통하여 갭(G) 위쪽 영역으로 공급되어, 갭(G)을 형성하는 부재를 세정함으로써 폴리싱액(G)의 퇴적물을 제거한다. 순수는 반도체 웨이퍼(W)가 해제된 후, 폴리싱 될 다음의 반도체 웨이퍼가 톱 링(1)에 끌어당겨질 때까지 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 도 2에 도시된 복수의 관통 구멍(3a)이 있는 리테이너 링(3)을 제공하여, 다음의 반도체 웨이퍼가 폴리싱 되기 전에 톱 링(1)으로부터 공급되는 순수를 모두 배출하는 것이 바람직하다. 더욱이, 리테이너 링(3), 홀더 링(5) 및 가압 시트(7) 사이에 형성된 공간(26) 내의 압력의 증가가 진전된다면, 척킹 판(6)이 톱 링 본체(2)에서 상승되는 것을 방해하는 작용을 한다. 따라서, 척킹 판(6)이 톱 링 본체(2)로 원활하게 상승되도록 하기 위해서는, 상기 관통 구멍(3a)이 제공되어 상기 공간(26)의 압력과 대기압을 동일하게 만드는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상술된 바와 같이, 압력 챔버(22, 23), 중앙 백(8) 내의 압력 챔버(24) 및 링 튜브(9) 내 압력 챔버 내의 압력은 독립적으로 제어되어, 반도체 웨이퍼(W) 상에 작용하는 가압력을 제어한다.
또한, 본 발명에 따르면, 중앙 백(8)과 링 튜브(9)의 위치나 크기를 변화시킴으로써 반도체 웨이퍼(W)에 가해진 가압력이 제어되는 영역이 쉽게 변화될 수 있다. 반도체 웨이퍼(W)에 가해진 가압력이 제어되는 영역을 변화시키는 예가 아래에 기술될 것이다.
도 4a 내지 도 4e 및 도 5는 본 발명에 따른 기판 유지 장치 내의 접촉 부재(중앙 백(8) 및 링 튜브(9))의 다른 예를 도시하고 있는 수직 단면도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼로 가해지는 가압력이 제어되는 영역(C1)은 크기가 다른 또 다른 중앙 백(8)에 의하여 변화될 수 있다. 이러한 경우에, 중앙 백(8) 내에 형성되는 압력 챔버(24)를 유체 통로(35)와 연통시키는 구멍(82b)의 크기와 형상 및 중앙 백 홀더(82)를 척킹 판(6) 상에 장착시키는 나사 구멍(82a)의 크기와 위치가 미리 결정되는 경우, 반도체 웨이퍼에 가해지는 가압력이 제어되는 범위는 크기가 다른 중앙 백 홀더(82)를 준비함으로써 간단하게 변화될 수 있다. 이 경우에, 척킹 판(6)을 수정할 필요는 없다.
도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼로 가해지는 가압력이 제어되는 영역(C3)의 폭 및/또는 위치는, 크기 및/또는 형상이 다른 또 다른 링 튜브(9)에 의하여 변화될 수 있다. 또한 도 4e에 도시된 바와 같이, 복수의 구멍(57)과 나사 구멍(도시되지 않음)은 척킹 판(6)의 미리 결정되는 반경 방향 위치에 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 연통 구멍(92b)은 연통 구멍(57) 가운데 하나에 해당하는 위치에 위치되고, 여타의 연통 구멍(및 나사 구멍)은 스크루(58)로 채워져 유체를 밀폐시킨다. 따라서, 링 튜브(9)는 반경 방향으로 융통성이 있게 장착되어, 가압력이 제어되는 범위가 융통성이 있게 변화될 수 있도록 한다.
*도 5에 도시된 바와 같이, 탄성 멤브레인(81)의 원주 에지로부터 반경 방향 바깥쪽으로 돌출되어 있는 돌출부(81a)가 중앙 백(8)의 하부면 상에 제공될 수 있으며, 탄성 멤브레인(91)의 원주 에지로부터 반경 방향으로 돌출하는 돌출부(91a)가 링 튜브(9)의 하부면 상에 제공될 수 있다. 상기 돌출부(81a, 91a)는 중앙 백(8) 및 링 튜브(9)와 동일한 물질로 만들어진다. 상술된 바와 같이, 반도체 웨이퍼가 폴리싱 되는 경우, 가압된 유체는 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 및 상기 링 튜브(9)를 둘러싸는 압력 챔버(23) 사이에 위치하는 압력 챔버(22)로 공급된다. 그러므로, 돌출부(81a, 91a)는 압력 챔버(22, 23)로 공급되는 가압된 유체에 의하여 탄성 패드(4)에 밀착하게 된다. 따라서, 중앙 백(8)에 인접한 압력 챔버(22)로 공급되는 가압된 유체의 압력이 중앙 백(8) 내에 형성된 압력 챔버(24)에 공급되는 가압된 유체의 압력보다 상당히 높더라도, 중앙 백(8)에 인접한 고압 유체가 중앙 백(8)의 하부 내로 흘러들어 가는 것이 방지된다. 유사하게는, 링 튜브(9)에 인접한 압력 챔버(22 내지 23)로 공급되는 가압된 유체의 압력이 링 튜브(9) 내에 형성된 압력 챔버(25)로 공급되는 가압된 유체의 압력보다 상당히 높더라도, 링 튜브(9)에 인접한 고압 유체는 링 튜브(9)의 하부 내로 흘러들어 가는 것이 방지된다. 따라서, 돌출부(81a, 91a)는 각 압력 챔버의 압력 제어 범위를 넓힐 수 있으며, 이로 인해 반도체 웨이퍼를 더욱 안정적으로 가압할 수 있다.
탄성 멤브레인(81, 91)은 부분적으로 두께가 다르거나 비탄성 부재를 부분적으로 포함할 수 있다. 도 6a는 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)이 탄성 패드(4)와 접촉하게 되는 표면보다 더 두꺼운 측면(91b)을 갖는 예를 도시하고 있다. 도 6b는 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)이 그것의 측면 내에 비탄성 부재(91d)를 부분적으로 포함하고 있는 예를 도시하고 있다. 이들 예에서는, 압력 챔버 내의 압력으로 인해 탄성 멤브레인의 측면의 변형이 적절하게 제한될 수 있다.
상술된 바와 같이, 반도체 웨이퍼 표면에 형성된 박막의 분포는 퇴적 방법 또는 퇴적 장치에 따라 변화한다. 본 발명에 따르면, 기판 유지장치는 반도체 웨이퍼에 가압력을 가하기 위하여 중앙 백(8) 및 중앙 백 홀더(82) 또는 링 튜브(9) 및 링 튜브 홀더(92)를 간단히 변화시킴으로써 압력 챔버의 위치 및 크기를 변화시킬 수 있다. 그러므로, 가압력이 제어되는 위치 및 영역은 저비용으로 폴리싱될 박막의 분포에 따라 쉽게 변화될 수 있다. 다시 말해서, 기판 유지 장치는 폴리싱될 반도체 웨이퍼 상에 형성된 박막의 다양한 두께 분포에 대처할 수 있다. 중앙 백(8) 또는 링 튜브(9)의 형상 및 위치의 변화는 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 사이에 위치된 압력 챔버(22) 및 링 튜브(9)를 둘러싸고 있는 압력 챔버(23)의 크기의 변화를 가져온다.
본 발명의 제2실시예에 따른 폴리싱 장치가 도 7 내지 11을 참고로 하여 아래에 기술될 것이다. 도 7은 제2실시예에 따른 톱 링(1)을 도시하고 있는 수직 단면도이다. 같은 부품과 구성요소는 제1실시예와 동일한 참고 부호 및 문자에 의하여 표기된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2실시예에서는, 톱 링(1)이 탄성 패드 대신 시일 링(42)을 구비한다. 상기 시일 링(42)은 그것의 외주 에지 근처 척킹 판(6)의 하부면만을 덮고 있는 탄성 멤브레인을 포함하여 이루어진다. 제2실시예에서는, 구조를 간단히 하기 위하여, 내부 흡입부(도 2에서 참조 부호 61로 표기됨)나 외부 흡입부(도 2에서 참조 부호 62로 표기됨)의 그 어느 것도 척킹 판(6) 상에 제공되지 않는다. 하지만, 제1실시예에서와 같이, 반도체 웨이퍼를 끌어당기는 흡입부는 척킹 판(6) 상에 제공될 수 있다. 상기 시일 링(42)은 에틸렌 프로필렌 고무(에틸 렌-프로필렌 삼원혼성중합체(EPDM), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등과 같은 매우 강하며 내구성이 큰 고무로 만들어진다.
상기 시일 링(42)은 시일 링(42)의 하부면이 반도체 웨이퍼(W)의 상부면과 접촉하게 되는 상태로 제공된다. 제1실시예의 탄성 패드(4)와 마찬가지로, 상기 시일 링(42)에는 척킹 판(6)과 홀더 링(5) 사이에 클램핑된 반경 방향의 외측 에지가 있다. 반도체 웨이퍼(W)에는 그것의 외측 에지에 노치 또는 오리엔테이션 플랫으로 언급되는 후퇴부가 형성되어 있어서, 반도체 웨이퍼의 배향을 인식 또는 식별한다. 그러므로, 시일 링(42)은 노치 또는 오리엔테이션 플랫과 같은 후퇴부의 가장 안쪽의 위치로부터 반경 방향 안쪽으로 연장되는 것이 바람직하다.
제1실시예와 마찬가지로, 중앙 백(8)은 척킹 판(6)의 하부면 상의 중심에 배치되며, 링 튜브(9)는 중앙 백(8)을 둘러싸면서 중앙 백(8)의 반경 방향 바깥쪽으로 배치된다.
제2실시예에서, 폴리싱될 반도체 웨이퍼(W)는, 반도체 웨이퍼(W)가 시일 링(42), 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81) 및 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)과 접촉하게 되는 상태로 톱 링(1)에 의하여 유지된다. 그러므로, 반도체 웨이퍼(W), 척킹 판(6) 및 시일 링(42)은, 제1실시예에서의 탄성 패드 및 척킹 판에 의하여 형성된 공간 대신에, 그들 사이에 공간을 공동으로 형성한다. 상기 공간은 중앙 백(8) 및 링 튜브(9)에 의하여 복수의 공간(제2압력 챔버)으로 분할된다. 특히, 압력 챔버(22)는 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 사이에 형성되며, 압력 챔버(23)는 링 튜브(9)의 반경 방향 바깥쪽으로 형성된다.
튜브 및 커넥터를 포함하는 유체 통로(33, 34, 35 및 36)는 압력 챔버(22, 23), 중앙 백(8) 내에 형성된 중앙 압력 챔버(제1압력 챔버)(24) 및 링 튜브(9) 내에 형성된 중간 압력 챔버(제1압력 챔버)(25)와 각각 연통되어 있다. 상기 압력 챔버(22, 23, 24 및 25)는 상기 유체 통로(33, 34, 35 및 36)에 각각 연결된 각각의 레귤레이터를 경유하여 압축 공기원에 연결된다. 상기 압력 챔버(21 내지 25)의 유체 통로(31, 33, 34, 35 및 36)에 연결된 레귤레이터는 상기 압력 챔버(21 내지 25)에 공급되는 가압된 유체의 압력을 각각 조절함으로써, 상기 챔버(21 내지 25) 내의 압력을 독립적으로 제어하거나 상기 압력 챔버(21 내지 25) 안으로 대기를 독립적으로 도입하거나 상기 챔버 안을 진공상태로 만든다. 따라서, 압력 챔버(21 내지 25) 내의 압력은 레귤레이터를 이용하여 독립적으로 변화되므로, 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역 내에서 가압력이 조정될 수 있게 한다. 일부의 적용에서는, 상기 압력 챔버(21 내지 25)는 진공원(121)에 연결될 수 있다.
이러한 방식으로 구성되는 상기 톱 링(1)의 작동에 대해서 아래에 기술될 것이다.
반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱 장치로 운반되는 경우, 상기 톱 링(1)은 상기 반도체 웨이퍼(W)가 운반되는 위치로 이동되며, 중앙 백(8) 및 링 튜브(9)의 하부면을 반도체 웨이퍼(W)의 상부면과 밀착시키는 소정의 압력하에서 상기 중앙 백(8) 및 상기 링 튜브(9)에 가압된 유체가 공급된다. 그 후에, 상기 압력 챔버(22, 23)가 유체 통로(33, 34)를 통하여 진공원에 연결됨으로써, 압력 챔버(22, 23) 내에 부압이 조성되고, 이로 인하여 진공하에서 반도체 웨이퍼(W)를 끌어당긴다.
반도체 웨이퍼(W)의 하부면을 폴리싱하기 위하여, 반도체 웨이퍼(W)는 톱 링(1)의 하부면 상에 유지되고, 링 구동 샤프트(11)에 연결된 톱 링 에어 실린더(111)는 소정의 압력하에서 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱면에 대해 톱 링(1)의 하단에 고정된 리테이너 링(3)을 가압하도록 작동된다. 그 다음, 가압된 유체가 각각의 압력하에서, 압력 챔버(22, 23), 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)로 각각 공급되며, 이로 인하여 반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱 테이블(100) 상의 폴리싱면에 대하여 가압하게 된다. 그 다음, 폴리싱액 공급 노즐(102)은 폴리싱액(Q)을 폴리싱 패드(101) 상으로 공급한다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)는 폴리싱 패드(101)와 반도체 웨이퍼(W)의 폴리싱될 하부면 사이에 존재하고 있는 폴리싱액(Q)을 이용하여 상기 폴리싱 패드(101)에 의하여 폴리싱된다.
압력 챔버(22, 23) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 압력 챔버(22, 23)에 공급되는 가압된 유체의 압력하에서 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다. 중앙 압력 챔버(24) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 중앙 압력 챔버(24)에 공급되는 가압된 유체의 압력하에서 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)을 경유하여 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다. 중간 압력 챔버(25) 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역은 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체의 압력하에서 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)을 경유하여 폴리싱 패드(101)에 대하여 가압된다.
그러므로, 반도체 웨이퍼(W)의 각각의 국부 영역 상에 작용하는 폴리싱 압력은 각각의 압력 챔버(22 내지 25)로 공급되는 가압된 유체의 압력을 제어함으로써 독립적으로 조정될 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)는 동심원과 환형의 영역으로 분할되어, 독립적인 가압력 하에서 가압될 수 있다. 상기 동심원 및 환형의 영역(C1 내지 C4)에 가해진 가압력에 의존하는 상기 영역의 폴리싱 속도는, 상기 영영에 가해진 가압력이 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 독립적으로 제어될 수 있다. 결과적으로, 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 폴리싱될 박막의 두께에 반경 방향으로의 변화가 있더라도, 반도체 웨이퍼(W) 표면의 박막은 불충분하거나 과도하게 폴리싱 되지 않고 균일하게 폴리싱될 수 있다. 보다 상세하게는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 폴리싱될 박막의 두께가 반도체 웨이퍼(W) 상의 반경 방향 위치에 따라 다르더라도, 박막의 더 두꺼운 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력이 박막의 더 얇은 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력보다 높아지거나, 박막의 더 얇은 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력이 박막의 더 두꺼운 영역 위쪽에 위치된 압력 챔버 내의 압력보다 더 낮아지게 된다. 이러한 방식으로, 박막의 더 두꺼운 영역에 공급된 가압력이 더 얇은 영역의 박막에 공급된 가압력보다 더 커지게 됨으로써 더 두꺼운 영역의 박막을 폴리싱하는 속도를 선택적으로 증가시키게 된다. 결과적으로는, 반도체 웨이퍼(W)의 전체 표면은 박막이 형성될 때 얻어진 박막의 두께 분포와 상관없이 소정 높이로 정확하게 폴리싱될 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱될 때, 시일 링(42)이 반도체 웨이퍼의 상부면의 일부와 밀착하게 되어, 상기 공간을 밀폐하게 된다. 따라서, 가압된 유체가 압력 챔버(23)의 외부로 흘러나가는 것이 방지된다.
반도체 웨이퍼(W)의 폴리싱이 완료되는 때에는, 상기 반도체 웨이퍼(W)가 진 공하에서 상술된 바와 동일한 방식으로 끌어당겨진 다음, 압력 챔버(21)가 대기로 통하게 되거나 배기됨으로써 그 내부에 부압이 조성된다. 반도체 웨이퍼(W)가 끌어당겨진 후에, 전체 톱 링(1)은 이것으로부터 반도체 웨이퍼(W)가 운반될 위치로 이동된다. 그 다음, 압축된 공기 또는 질소와 순수의 혼합물과 같은 유체가 유체 통로(33, 34)를 경유하여 반도체 웨이퍼(W)에 분출되어 톱 링(1)으로부터 반도체 웨이퍼(W)를 해제시키게 된다. 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)과 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)의 하부면에 관통 구멍이 형성되어 있다면, 이들 관통 구멍을 통하여 흐르는 유체에 의하여, 반도체 웨이퍼(W)에 하향력이 가해지기 때문에, 상기 반도체 웨이퍼(W)는 톱 링(1)으로부터 원활하게 해제될 수 있다. 상기 반도체 웨이퍼(W)가 상기 톱 링(1)으로부터 해제된 후에는, 톱 링(1)의 아랫면 대부분이 노출된다. 따라서, 상기 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱되고 해제된 후에 상기 톱 링(1)의 하부면은 비교적 쉽게 세정될 수 있다.
아래에는 본 발명에 따른 기판 유지 장치 내의 중앙 백(8)과 링 튜브(9)의 다른 예가 설명될 것이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 예를 도시하고 있는 수직 단면도이며, 도 9는 반도체 웨이퍼(W)가 제거된 상태인 도 8의 저면도이다.
이 예에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 중앙 백(8)은 상기 중앙 백(8)의 외주 에지에서만 탄성 멤브레인(81)을 가지며, 원형 구멍(연통부)(83)이 상기 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)의 아랫면에 형성된다. 링 튜브(9)는 2개의 탄성 멤브레인, 즉 반경 방향의 내부 탄성 멤브레인(91e)과 반경 방향의 외부 탄성 멤브레인(91f)을 가지며, 환형의 홈(연통부)(93)이 내부 탄성 멤브레인(91e)과 외 부 탄성 멤브레인(91f) 사이에 형성된다. 중앙 압력 챔버(24)와 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체는 반도체 웨이퍼(W)의 접촉면인 상부면과 접촉한다.
상술된 바와 같이, 중앙 압력 챔버(24)와 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체는 적정 온도로 제어되며, 상기 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 폴리싱될 표면의 이면으로부터 제어되는 경우, 중앙 백(8)과 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인의 하부면에 형성된 연통부(83, 93)는 온도가 제어되는 가압된 유체가 반도체 웨이퍼(W)와 접촉하게 되는 영역을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 반도체 웨이퍼(W)의 온도 제어성이 개선될 수 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)의 폴리싱이 완료되고, 상기 반도체 웨이퍼(W)가 해제될 때, 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)가 각각 원형 구멍(83)과 환형의 홈(93)을 경유하여 외부 공기에 개방된다. 따라서, 중앙 압력 챔버(24)와 중간 압력 챔버(25) 안으로 공급된 유체가 중앙 압력 챔버(24)와 중간 압력 챔버(25) 내에 잔류하는 것을 방지한다. 그러므로, 반도체 웨이퍼(W)가 연속적으로 폴리싱되는 경우에도, 반도체 웨이퍼의 온도 제어성은 유지될 수 있다.
상기 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱되는 경우, 가압된 유체는 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)에 공급된다. 그러므로, 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)의 하부면과 링 튜브(9)의 내부와 외부 탄성 멤브레인(91e, 91f)의 하부면은 상기 반도체 웨이퍼(W)의 접촉면인 상부면에 대하여 가압된다. 따라서, 원형 구멍(83) 및 환형의 홈(93)이 탄성 멤브레인 내에 형성되더라도, 중앙 압력 챔버(24)와 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체가 외부로 흘러나가는 것이 방지된 다.
도 8 및 도 9에 도시된 예에서는, 원형 구멍(83)을 바깥쪽으로 확장시키려는 힘이 중앙 압력 챔버(24)에 공급되는 가압된 유체로 인해 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81) 상에 작용한다. 환형의 홈(93)을 바깥쪽으로 확장시키려는 힘이 중간 압력 챔버(25)에 공급되는 가압된 유체로 인해 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91e, 91f) 상에 작용한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 이들 힘을 분산시키기 위하여, 복수의 원형 구멍(연통부)(84, 94)이 중앙 백(8)과 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(81, 91)의 하부면 상에 제공될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 그 내부에 유체가 밀폐되어 있는 환형의 접촉부(85)가 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)의 하단에 제공될 수 있다. 또한, 각각 그 내부에 유체가 밀폐되어 있는 (내부) 환형의 접촉부(95a) 및 (외부) 환형의 접촉부(95b)가 링 튜브(9)의 탄성 멤브레인(91)의 하단부에 제공될 수 있다. 이 경우에, 접촉부(85, 95a, 95b)는 압력 챔버(21)에 공급되는 가압된 유체에 의하여 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 가압되며, 이에 따라 압력 챔버(22, 23), 중앙 압력 챔버(24) 및 중간 압력 챔버(25)가 접촉부(85, 95a, 95b)에 의해 각각 밀폐된다. 이 때, 상기 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 가압된 접촉부(85, 95a, 95b)가 변형됨으로써, 상기 접촉부(85, 95a, 95b)는 반도체 웨이퍼(W)와 접촉하게 되는 면적을 증가시키므로, 반도체 웨이퍼(W)에 가해지는 힘이 더 커진다. 하지만, 압력 챔버(21) 내의 압력을 조절하면, 접촉부(85, 95a, 95b)에 의하여 과도한 힘이 반도체 웨이퍼(W)에 가해지는 것을 막을 수 있다. 도 8 내지 도 11에 도시된 예는 제1실시예에 적용될 수 있다.
아래에는 도 12 및 도 13을 참고로 하여 본 발명의 제3실시예에 따른 폴리싱 장치에 대해 기술될 것이다. 도 12는 제3실시예에 따른 톱 링(1)을 도시하고 있는 수직 단면도이며, 도 13은 반도체 웨이퍼(W)가 제거된 상태에서의 도 12의 톱 링(1)을 도시하고 있는 저면도이다. 같은 부품과 구성요소는 제2실시예와 동일한 참고 부호와 문자에 의하여 표기된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제3실시예에서는, 상기 톱 링(1)은 탄성 부재와 시일 링을 구비하지 않는다. 중앙 백(8)은 환형의 중앙 백 홀더(82)를 구비하고 있으며, 환형의 탄성 멤브레인(81)은 중앙 백 홀더(82)의 외주 에지에 유지된다. 원형 구멍(83)은 도 8 및 도 9에 도시된 예와 마찬가지로, 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)의 하부면에 형성된다.
링 튜브(9)는 반도체 웨이퍼(W)의 외측 주위부에 대응하는 위치에 장착된다. 링 튜브(9)는 내부 탄성 멤브레인(91e) 및 외부 탄성 멤브레인(91f)을 가지며, 환형의 홈(93)은 도 8 및 도 9에 도시된 예와 마찬가지로, 내부 탄성 멤브레인(91e)과 외부 탄성 멤브레인(91f) 사이에 형성된다. 환형의 보조 홀더(96)는 링 튜브 홀더의 안쪽에 배치된다. 링 튜브(9)의 내부 탄성 멤브레인(91e)에는 그것의 상단부로부터 반경 방향 안쪽으로 돌출되는 돌출부가 있다. 상기 돌출부는 보조 홀더(96)에 의하여 유지되므로, 상기 안쪽 탄성 멤브레인(91e)이 확실하게 유지된다.
중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81)에는 그것의 하부 원주 에지로부터 반경 방향 바깥쪽으로 돌출하는 돌출부(81b)가 있다. 링 튜브(9)의 내부 탄성 멤브레 인(91e)에는 그것의 하부 원주 에지로부터 반경 방향 안쪽으로 돌출하는 돌출부가 있다. 도 5에 도시된 예와 마찬가지로, 이들 돌출부는 압력 제어 범위를 넓힘으로써, 상기 반도체 웨이퍼(W)를 폴리싱면에 대하여 보다 안정적으로 가압할 수 있다.
제1실시예에서와 같이, 척킹 판(6)은 내부 흡입부(61)와 외부 흡입부(62)를 구비함으로써 상기 척킹 판 쪽으로 반도체 웨이퍼(W)를 끌어당긴다. 내부 흡입부(61)는 중앙 백(8)의 안쪽에 배치되며, 외부 흡입부(62)는 중앙 백(8)과 링 튜브(9)의 사이에 배치된다.
본 실시예에서, 폴리싱될 반도체 웨이퍼(W)는 톱 링(1)에 의하여 상기 반도체 웨이퍼(W)가 중앙 백(8)의 탄성 멤브레인(81, 91e, 91f) 및 링 튜브(9)와 접촉하게 되는 상태로 유지된다. 그러므로, 중앙 백(8)과 링 튜브(9)는 반도체 웨이퍼(W)와 척킹 판(6) 사이에 압력 챔버(22)를 공동으로 형성한다. 상술된 바와 같이, 링 튜브(9)는 반도체 웨이퍼(W)의 외주부에 해당하는 위치에 장착되며, 압력 챔버(도 7에서 참조 부호 23으로 표기됨)는 링 튜브(9)의 바깥쪽에 형성되지 않는다.
튜브와 커넥터를 포함하는 유체 통로(31, 33, 35, 36)는, 척킹 판(6) 위쪽에 형성되는 압력 챔버(21), 압력 챔버(22), 중앙 백(8) 내에 형성된 중앙 압력 챔버(제1압력 챔버)(24), 및 링 튜브(9) 내에 형성되는 중간 압력 챔버(제2압력 챔버)(25)와 각각 연통되어 있다. 압력 챔버(21, 22, 24, 25)는 유체 통로(31, 33, 35, 36)에 각각 연결된 개개의 레귤레이터를 통하여 압축 공기원에 연결된다. 압력 챔버(21, 22, 24, 25)의 유체 통로(31, 33, 35, 36)에 연결된 레귤레이터는 압력 챔버(21, 22, 24, 25)에 공급되는 가압된 유체의 압력을 조절함으로써, 압력 챔버(21, 22, 24, 25) 내의 압력을 독립적으로 제어하거나, 압력 챔버(21, 22, 24, 25) 안으로 대기를 독립적으로 유입시키거나 상기 챔버 안이 진공상태가 되도록 할 수 있다. 따라서, 압력 챔버(21, 22, 24, 25) 내의 압력은 레귤레이터에 의해 독립적으로 변화되므로, 가압력이 반도체 웨이퍼(W)의 국부 영역에서 조정될 수 있게 한다.
상기 반도체 웨이퍼(W)가 폴리싱 될 때, 반도체 웨이퍼(W)의 주위부를 균일하게 폴리싱하기가 어려운데, 이는 폴리싱될 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 형성되는 박막의 두께 분포와는 관계없이, 폴리싱 패드의 탄성 변형 등 또는 폴리싱면과 반도체 웨이퍼(W) 사이의 공간으로 폴리싱액이 들어가기 때문이다. 본 실시예에서, 상기 링 튜브(9)는 반도체 웨이퍼(W)의 외측 주위부에 대응하는 위치에 장착된다. 또한 링 튜브(9)의 폭(D1)은 좁고, 중앙 백(8)의 직경(D2)은 크다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 주위부에 가해진 가압력을 제어하여, 반도체 웨이퍼(W)의 주위부를 균일하게 폴리싱하게 된다. 특히, 상기 링 튜브(9)의 폭은 10mm 이하인 것이 바람직하며, 5mm 이하가 더욱 바람직하다. 중앙 백(8)과 링 튜브(9) 사이의 간격(D3)의 범위는 반도체 웨이퍼의 직경이 200mm 인 경우에는 20 내지 25mm 인 것이 바람직하며, 반도체 웨이퍼의 직경이 300mm 인 경우에는 25 내지 30mm 인 것이 바람직하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 기술하였지만, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상과 범위로부터 벗어나지 않고도 많은 수정 및 변형이 가능하다는 것을 명백히 이해할 수 있을 것이다.
상술된 실시예에서는, 유체 통로(31, 33, 34, 35, 36)가 별도의 통로로서 제공된다. 하지만, 유체 통로와 압력 챔버의 배치는 반도체 웨이퍼(W)에 가해질 가압력의 크기와 상기 가압력이 가해지는 위치에 따라 수정될 수 있다. 예를 들어, 이들 통로가 서로 합쳐질 수 있거나, 상기 압력 챔버들이 서로 연결될 수 있다.
압력 챔버(22)와 연통하는 유체 통로(33)와 압력 챔버(23)와 연통하는 유체 통로(34) 없이, 상기 압력 챔버(22, 23)는 압력 챔버(21)에 연결됨으로써 하나의 압력 챔버를 형성할 수 있다. 이러한 경우에는, 압력 챔버(21, 22, 23) 내의 압력이 유체 통로(31)를 경유하여 공급되는 가압된 유체에 의하여 동일한 압력으로 제어된다. 압력 챔버(22)와 압력 챔버(23) 간에 압력차를 제공할 필요가 없고, 상기 중앙 압력 챔버 및 상기 중간 압력 챔버(25) 내의 압력이 압력 챔버(21, 22, 23) 내의 압력보다 더 크지 않다면, 유체 통로를 필요로 하지 않는 상기 배치를 채택함으로써 유체 통로의 수를 감소시키고, 유체 통로를 단순화시킬 수 있다.
제1 및 제3실시예에서와 같이, 내부 흡입부(61)와 외부 흡입부(62)가 척킹 판(6) 상에 제공되는 경우, 흡입부(61, 62)와 연통하는 유체 통로(37, 38) 내부는 진공상태가 될 뿐 아니라, 가압된 유체가 상기 유체 통로(37, 38)로 공급될 수 있다. 이러한 경우에, 하나의 개별 유체 통로를 이용하여 상기 흡입부(61, 62) 내의 반도체 웨이퍼의 흡입과 압력 챔버(22)로의 가압된 유체의 공급이 수행될 수 있다. 따라서, 2개의 유체 통로, 즉 유체 통로(33, 34)를 제공할 필요가 없으므로, 유체 통로의 수를 줄이고, 상기 유체 통로를 단순화시킬 수 있다.
제1 및 제2실시예에서, 상기 척킹 판(6)에는 그것의 외주 에지로부터 아래쪽 으로 돌출되는 돌기부(63)가 있어서, 탄성 멤브레인(4)의 하부 주위부 또는 시일 링(42)의 형상을 유지할 수 있다(도 2 및 도 7 참조). 하지만, 재질 등의 이유로 탄성 멤브레인(4)이나 시일 링(42)의 형상을 유지시켜야 할 필요가 없다면, 상기 척킹 판(6)에는 상기 돌기부가 존재할 필요가 없다. 도 14는 제1실시예에서의 척킹 판(6)에 돌기부(63)가 존재하지 않는 톱 링(1)을 도시하고 있는 수직 단면도이다. 이 경우에, 상기 반도체 웨이퍼(W)는 그것의 중앙부로부터 외측 주위부까지 균일하게 가압될 수 있다. 나아가, 반도체 웨이퍼는 폴리싱면 상에 큰 굴곡(waviness)이나 기복(undulation)을 용이하게 따라갈 수 있다.
상술된 실시예에서, 상기 폴리싱면은 폴리싱 패드에 의하여 구성된다. 하지만, 상기 폴리싱면은 상기한 경우에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 폴리싱면은 고정 연마제에 의하여 구성될 수 있다. 상기 고정 연마제는 바인더에 의하여 고정된 연마 입자를 포함하는 평판으로 형성된다. 고정 연마제를 이용하면, 상기 고정 연마제로부터 자체 생성되는 연마 입자에 의하여 폴리싱 처리가 수행된다. 상기 고정 연마제는 연마 입자, 바인더 및 공극(pores)을 포함하여 이루어진다. 예를 들어, 평균 입자 직경이 0.5㎛인 산화 세륨(CeO2)이 연마 입자로서 사용되며, 에폭시 수지가 바인더로서 사용된다. 이러한 고정 연마제는 더욱 경질의 폴리싱면을 형성시킨다. 상기 고정 연마제는 고정 연마제의 얇은 층에 의하여 형성되는 2층 구조체를 가지는 고정 연마제 패드와, 상기 고정 연마제의 층에 부착된 탄성 폴리싱 패드를 포함한다. 상술된 IC-1000은 또 다른 경질의 폴리싱면을 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상술된 바와 같이, 제1압력챔버와 제2압력챔버 내의 압력은 독립적으로 제어될 수 있다. 그러므로, 박막의 더 두꺼운 영역에 가해진 가압력은 박막의 더 얇은 영역에 가해진 가압력보다 더 높아 수 있으며, 이로 인하여 박막의 더 두꺼운 영역의 폴리싱 속도를 선택적으로 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 기판의 전체 표면은 박막이 형성될 때에 형성되는 멤브레인의 두께 분포에 관계없이 소정의 수준으로 정확하게 폴리싱될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 접촉 부재는 탄성 멤브레인을 분리가능하게 유지하는 유지 부재를 포함하여 이루어지거나, 상기 접촉 부재의 유지 부재는 지지 부재 상에 분리가능하게 장착된다. 따라서, 탄성 멤브레인 또는 접촉 부재는 다른 것으로 쉽게 대체될 수 있다. 특히, 제1압력챔버와 제2압력챔버의 위치 및 형상은 탄성 멤브레인이나 접촉 부재의 변경에 의하여 간단히 변경될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 기판 유지 장치는 저비용으로 폴리싱된 기판상에 형성된 박막의 다양한 두께 분포에 용이하게 대처할 수 있다.
시일 링을 포함하는 기판 유지 장치에서, 지지 부재의 하부면은 상기 반도체 웨이퍼가 해제된 후에 덮여지지 않는다. 그러므로, 지지 부재의 하부면의 넓은 부분은 상기 반도체 웨이퍼가 해제된 후에 노출되므로, 상기 기판 유지 장치가 폴리싱 처리 후 쉽게 세정될 수 있게 한다.
더욱이, 접촉 부재의 탄성 멤브레인의 원주 에지로부터 반경 방향으로 돌출되는 돌출부가 탄성 멤브레인의 하부면 상에 제공된다. 그러므로, 상기 돌출부는 제2압력 챔버로 공급되는 가압된 유체에 의하여 탄성 패드 또는 기판과 밀착하게 되어, 상기 가압된 유체가 상기 접촉 부재의 하부로 흘러들어 가는 것을 방지한다. 따라서, 압력 제어의 범위가 넓혀짐으로써, 상기 기판을 폴리싱면에 대하여 보다 안정적으로 가압할 수 있다.
본 발명의 소정의 바람직한 실시예를 상세하게 도시 및 기술하였지만, 청구항의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리싱 장치의 전체 구조를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 기판 유지 장치를 도시한 수직 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 기판 유지 장치의 저면도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백(central bag) 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 수직 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 수직 단면도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 수직 단면도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 기판 유지 장치를 도시한 수직 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 수직 단면도,
도 9는 반도체 웨이퍼가 제거되는 상태에 있는 도 8에 도시된 기판 유지 장치의 저면도,
도 10은 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 저면도,
도 11은 본 발명에 따른 기판 유지 장치의 접촉 부재(중앙 백 및 링 튜브)의 다른 예시를 도시한 수직 단면도,
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 기판 유지 장치를 도시한 수직 단면도,
도 13은 도 12에 도시된 기판 유지 장치의 저면도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 유지 장치를 도시한 수직 단면도이다.

Claims (6)

  1. 폴리싱면을 구비한 폴리싱 테이블, 및
    폴리싱 대상물인 기판을 유지하는 톱링을 구비하는 폴리싱장치에 있어서,
    상기 톱링은, 톱링 본체를 구비하고,
    상기 톱링 본체 내에는, 상기 기판과 접촉하게 되는 탄성 패드와, 상기 탄성 패드를 지지하고, 절연성 재료로 이루어지는 지지부재를 구비하며,
    상기 폴리싱장치는, 와전류를 이용하여 상기 기판에 형성된 박막의 막 두께를 측정하여 상기 기판에 대한 가압력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부재는, 플루오르화 수지 또는 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄성 패드는, 상기 지지부재의 하면을 덮음으로써 공간을 형성하고, 상기 공간에는, 상기 탄성 패드에 접촉하는 중앙 접촉부재 및 외측 접촉부재가 설치되고, 상기 탄성 패드, 중앙 접촉부재, 외측 접촉부재는 모두 고무재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 중앙 접촉부재 및 외측 접촉부재는 각각 압력챔버를 형성하고, 상기 각각의 압력챔버에는 유체로가 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탄성 패드와 상기 지지부재에 의하여 형성된 공간에는 유체로가 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
  6. 폴리싱 대상물인 기판을 톱링에 유지하고, 폴리싱 테이블의 폴리싱면과 접촉하게 하여 폴리싱하는 기판 폴리싱방법에 있어서,
    와전류에 의하여 상기 기판에 형성된 박막의 막 두께를 측정하고, 상기 기판의 폴리싱면에 대한 가압력을 제어하면서 폴리싱을 행하는 것을 특징으로 하는 기판폴리싱방법.
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