KR20100092027A - 압력 제어 장치, 폐기가능한 매니폴드, 메인 매니폴드 및 ｃｍｐ 캐리어 헤드 - Google Patents

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KR20100092027A
KR20100092027A KR1020107013813A KR20107013813A KR20100092027A KR 20100092027 A KR20100092027 A KR 20100092027A KR 1020107013813 A KR1020107013813 A KR 1020107013813A KR 20107013813 A KR20107013813 A KR 20107013813A KR 20100092027 A KR20100092027 A KR 20100092027A
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호세인 자린
고든 힐
아닐 마바누르
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엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

복수의 지대 내에서 유체의 압력을 제어하는 압력 제어 장치는, 분배 매니폴드, 상기 분배 매니폴드에 연결되되는 하나 이상의 메인 매니폴드 및 상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드에 연결되는 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드를 구비한다. 상기 폐기가능한 매니폴드는 상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드와 독립적으로 교체가능하며, 각각의 지대 및 하나 이상의 진공원에 연결된다. 상기 분배 매니폴드는 복수의 지대에 유체를 분배하여, 각각의 지내 내에 위치된 측정 챔버 내로 그리고 그 외부로 유체가 흐르게 한다. 상기 메인 매니폴드는, 각각의 지대에 대해, 상기 지대 내에서 측정 챔버 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 지대를 통해 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 구비한다.

Description

압력 제어 장치, 폐기가능한 매니폴드, 메인 매니폴드 및 ＣＭＰ 캐리어 헤드{MULTI-ZONE PRESSURE CONTROL SYSTEM}
다수의 적용에서, 압력 센서 및 유체 흐름 액추에이터에 대해 이격되게 위치된 결합식 또는 비결합식 용적 내에서는 유체압이 조절되어야 한다. 이러한 적용은, 이에 한정되지는 않지만, CMP (chemical mechanical polishing) 툴 등의 반도체 처리 장치를 구비할 수 있다. 이러한 적용에 대해 압력 제어 시스템(pressure control systems: PCS)의 신뢰성 및 사용성을 개선하는 것이 우선적인 사항이다.
복수의 지대 내에서 유체의 압력을 제어하는 압력 제어 장치는, 분배 매니폴드, 상기 분배 매니폴드에 결합되는 하나 이상의 메인 매니폴드, 및 상기 분배 매니폴드와 독립적으로 교체되는 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드를 구비한다. 상기 분배 매니폴드는 상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드와 독립적으로 교체되며, 하나 이상의 진공원과 각각의 지대에 연결된다. 상기 분배 매니폴드는 유체 가압원으로부터 상기 복수의 지대로 유체를 분배하도록 구성되어 각각의 지내 내에 위치된 측정 챔버 내로 그리고 그 외부로 유체를 흘린다. 상기 메인 매니폴드는, 각각의 지대에 대해, 상기 지대 내에서 상기 측정 챔버 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 지대를 통해 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 구비한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 지대 압력 제어 장치의 흐름도로서, 상기 다수의 지대 압력 제어 장치 내의 유압 회로에 대한 개략도를 포함함,
도 2는 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 제어 장치를 위한 폐기가능한 매니폴드의 도면,
도 3은 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 제어 장치를 위한 메인 매니폴드의 도면,
도 4는 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 제어 장치를 위한 분배 매니폴드의 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 지대 압력 제어 장치의 전체 사시도.
복수의 지대 내에서 압력이 제어되는 장치 및 방법을 기술한다. 이러한 장치 및 방법은 복수의 지대 내의 압력을 제어하기 위해 분배 매니폴드, 하나 이상의 매니폴드, 및 독립적으로 교체가능한 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드를 제공한다. 슬러리 오염 등의 고장이 발생하는 경우, 후술한 장치 및 방법은 다른 지대를 교체하지 않고서 고장 난 지대만을 교체가능하다. 또한, 이와 같은 교체는 툴 상에서 직접 수행될 수 있으므로, 시간 경과에 따라 변화가 짧다. 후술하는 장치 및 방법은 다수의 지대 압력 제어 시스템에 대한 보다 견고한 설계를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 지대 압력 제어 장치(100)의 흐름도로서, 압력 제어 장치(100) 내의 유압 회로의 개략도를 구비한다. 압력 제어 장치(100)는 복수의 지대(160, 170, 180, 190) 내의 압력을 제어하도록 구성된다. 이러한 지대들은 독립적으로 제어가능한 압력 제어 지대이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 압력 제어 장치(100)는 3가지 섹션, 즉 분배 매니폴드(110), 복수의 메인 매니폴드(120-a, ..., 120-d)를 포함하는 메인 매니폴드 조립체(120), 및 복수의 폐기가능한 매니폴드(130-a, ..., 130-d)를 포함하는 폐기가능한 매니폴드 조립체(130)로 설계된 매니폴드 조립체를 구비한다. 또한, 도 1 에 도시한 것과 후술하는 바와 같이, 압력 제어 장치(100)는, 복수의 지대 중 각각의 하나에 대해, 제어 밸브(124), 압력 센서(122), 제 1 밸브(134), 제 2 밸브(126) 및 제 3 밸브(136)를 제공한다. 압력 센서(122)는 커패시턴스 기반의 압력 변환기 또는 다른 타입의 압력 변환기일 수 있다.
분배 매니폴드(110)(본원에서 압력 및 진동 분배 매니폴드 또는 유체 분배 매니폴드로도 부름)는 임의의 필드 교체가능한 부품을 수용하지 않는다. 본원에서, 용어 "분배 매니폴드(distribution manifold)", "유체 분배 매니폴드(fluid distribution manifold)" 및 "압력 및 진공 분배 매니폴드(pressure and vacuum distribution manifold)"는 동일한 의미를 가지는 것으로서, 상호교환적으로 사용된다. 도시한 실시예에서, 분배 매니폴드(110)는 조절되는 압력 라인(112)과 진공 라인(114)으로부터 공급된다.
하나 이상의 메인 매니폴드는 분배 매니폴드(120)에 결합된다. 도 1에 도시한 실시예에서, 메인 매니폴드 조립체(120)를 구성하는 몇 개의 메인 매니폴드(120-a, ..., 120-d)는 분배 매니폴드(110)에 결합된다. 특히, 하나의 메인 매니폴드는 각각의 지대를 위해 제공된다. 메인 매니폴드 조립체(120) 내의 각각의 메인 매니폴드(120-a, ..., 120-d)는 압력 센서(122)와, 제어 밸브(124) 및 제 2 밸브(126)를 보유한다. 이에 따라, 압력 제어 장치(100) 내의 측정 챔버의 개수는 지대의 개수와 동일하다.
각각의 지대에 대해, 진공원에 연결하는 진공 포트(135)와, 도관을 거쳐 각각의 지대(160, 170, 180 및 190 중 하나)에 연결하는 지대 포트(138)를 구비하는 각각의 폐기가능한 매니폴드가 제공된다. 폐기가능한 매니폴드 조립체(130) 내의 각각의 폐기가능한 매니폴드(130-a, ..., 130-d)는 슬러리 오염 등의 고장의 경우에 필드 제거가능하고 독립적으로 교체가능하도록 설계된다.
도시한 실시예에서, 복수의 지대 중 각각의 하나에 대해 하나의 메인 매니폴드가 제공되고, 마찬가지로 복수의 지대 중 각각의 하나에 대해 하나의 폐기가능한 매니폴드가 제공되지만, 본 발명의 다른 실시예는 상이한 지대에 대해 메인 매니폴드 및/또는 폐기가능한 매니폴드의 상이한 조합을 구비할 수 있다. 일반적으로, 하나 이상의 메인 매니폴드 및 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드가 각각의 지대를 위해 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 압력 제어 장치(100)는 CMP(chemical mechanical polishing) 적용에서 압력 제어를 위해 사용될 수 있고, 복수의 지대는 CMP 캐리어 헤드 장치의 내부 챔버 내에 형성된 탄성 블래더일 수 있다. CMP는 반도체 기판 표면의 평탄화 방법에 통상적으로 이용된다. 일련의 실리콘 층이 순차적으로 부착되고 식각될 때, 기판의 외측 또는 최상측 표면, 즉 기판의 노출면은 점점 더 비평면화될 수 있고, 집적 회로 제조 공정의 포토리소그래피 단계에서의 문제점을 회피하기 위해 주기적으로 평탄화될 필요가 있을 수 있다. 따라서, 기판 표면을 주기적으로 평탄화할 필요가 있을 수 있고, CMP는 널리 사용되는 평탄화 방법 중 하나이다.
CMP 평탄화 방법은 일반적으로 기판이 캐리어 또는 폴리싱 헤드 상에 장착되는 것을 필요로 할 수 있다. 기판의 노출면은 회전하는 폴리싱 헤드에 대해 위치될 수 있다. 캐리어 헤드는 폴리싱 헤드에 대해 기판을 누름으로써 기판에 대한 제어가능한 부하, 즉 압력을 제공할 수 있다. 하나 이상의 화학 반응제 그리고 몇몇의 경우에 접착제 입자를 포함하는 폴리싱 슬러리는 폴리싱 패드의 표면에 공급될 수 있다.
예시적인 CMP 캐리어 헤드 장치는, 예컨대 Poulin과 Clark의 미국특허출원 제 US2004/0250859호에 공개되어 있으며, 이는 전체적으로 본원에 포함된다. 예시적인 CMP 캐리어 헤드 장치는 그 회전축 둘레를 회전가능할 수 있고, 회전 모터에 연결된 캐리어 헤드를 구비할 수 있다. 캐리어 헤드는, 챔버가 가압될 때 팽창하고, 챔버 내에 진공이 형성될 때 수축하는 탄성 블래더에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 다수의 내부 챔버를 가질 수 있다. 예를 들면, 캐리어 헤드 내의 챔버를 가압하는 것이 회전하는 폴리싱 헤드에 대해 기판을 압착하는데 사용될 수 있는 한편, 챔버 내에 진공을 형성하는 것은 기판을 폴리싱 헤드로/로부터 이송하는 동안에 캐리어에 대해 기판을 보유하는 흡입부를 제공하는데 사용될 수 있다.
압력 제어 장치(100)는 로터리 커플링을 통해 CMP 캐리어 헤드에 결합될 수 있고, 캐리어 헤드 내의 복수의 블래더 내에서의 유체(예컨대, 질소)의 압력을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 제어 장치(100)를 위한 폐기가능한 매니폴드(200)를 도시한다. 상술한 바와 같이, 폐기가능한 매니폴드(200)는 일반적으로 폐기가능한 매니폴드 조립체 내의 복수의 폐기가능한 매니폴드 중 하나이며, 상기 폐기가능한 매니폴드 조립체는 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이 복수의 지대에 상응하는 복수의 폐기가능한 매니폴드를 구비한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 폐기가능한 매니폴드(200)는 각각의 지대(예컨대, CMP 캐리어 헤드 내의 블래더 중 하나)에 연결하는 지대 포트(220); 진공원(예컨대, 진공 펌프)에 연결하는 진공 포트(210); 및 제 1 및 제 2 밸브(230, 240)를 구비한다.
제 3 밸브(240)는 폐기가능한 매니폴드를 연결하는 지대를 통해 흐르는 유체의 압력을 감소시키는 것이 바람직한 경우에 개방될 수 있다. 제 1 밸브(230)는 폐기가능한 매니폴드를 연결하는 지대를 통해 흐르는 유체 압력의 감소 비율을 낮추는 것이 바람직한 경우에 개방될 수 있다.
CMP 툴에서, 압력 제어 장치(PCS)와 블래더 내에 수용된 습식 혼합물(슬러리) 사이에는 일반적으로 배리어가 있다. 블래더는 예방적인 유지보수가 없으므로 열할 수 있고, 밸브를 슬러리에 노출시키는 진공 라인에 슬러리가 도입가능할 수 있다. 시간이 경과한 슬러리는 밸브를 고장 나게 할 수 있다. 슬러리 오염의 경우에, 폐기가능한 매니폴드는 단지 오염되는 서브조립체이다. 폐기가능한 매니폴드(200)는 CMP 캐리어 헤드 내의 슬러리 오염 등의 고장의 경우에 제거가능하고 교체가능하도록 설계된다. 폐기가능한 매니폴드(200)는 제거될 수 있지만, PCS(100)는 CMP 툴 상에 있다.
도 3은 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 지대 장치(100)를 위한 메인 매니폴드(300)를 도시한다. 메인 매니폴드(300)는 압력 센서(320), 대응하는 지대를 통해 유체[장치(100)는 압력을 제어하도록 설계됨]의 흐름을 제어하는 제어 밸브(330), 및 제 2 밸브(310)를 구비한다. 몇몇 실시예에서, 폐기가능한 매니폴드(200) 뿐만 아니라 메인 매니폴드(300)가 교체가능할 수도 있다.
도 4는 도 1에 도시한 다수의 지대 압력 지대 장치(100)를 위한 유체 분배 매니폴드(400)를 도시한다. 유체 분배 매니폴드(400)[또는 압력 및 진공 분배 매니폴드(400)]는 임의의 필트 교체가능한 부품을 수용하지 않는다. 유체 분배 매니폴드(400)는 유체 가압원에 연결하는 압력 입구 포트(420)와, 진공 배기부에 연결하는 진공 출구 포트(410)를 구비한다. 유체 분배 매니폴드(400)는 유체 가압원으로부터 복수의 지대(도 1에 참조번호 160, 170, 180, 190로 도시함)로 유체를 분배하도록 구성되어, 각각의 지대 내에 위치된 측정 챔버 내로 그리고 그 외부로 유체를 흐르게 한다. 다른 모든 매니폴드, 즉 메인 매니폴드(300)와 폐기가능한 매니폴드(200)는 유체 분배 매니폴드(400)에 부착하고, 유체 분배 매니폴드(400)를 거쳐 함께 보유된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 지대 압력 제어 장치(500)의 전체 사시도를 도시한다. 도시한 구성에서, 모든 복수의 지대는 단일의 공급원에 의해 단일의 진공 배기부 내로 덤프(dump)로 공급된다.
요약하면, 복소의 독립적인 압력 제어 지대 내에서 압력을 제어가능한 장치 및 방법이 기술되었다. 상이한 지대는 각각의 지대 내의 압력이 제어될 수 있는 상이한 압력 제어 범위를 가질 수 있다.
상술한 설계는 이격된 지대 내의 압력을 제어하는 이전의 방법에 비해 상당한 개선점을 도입한다. 압력 제어 장치(PCS)를 위한 모듈형 설계를 이용하면, 툴 상에 PCS를 사용가능하게 하여, 툴 고장시간 및 사용된 부품의 비용을 줄인다. 종래의 기술을 사용하면, 하나의 지대가 슬러리에 노출되기만 하면 모든 지대를 교체해야 한다. 본 발명의 장치 및 방법을 이용하면, 고장 난 지대만을 교체할 것이므로, 이러한 교체가 툴 상에 수행되어 시간 경과에 따른 변화가 짧을 수 있다. 또한, 상술한 설계는 PCS를 견고하게 하는데 도움을 준다. 본 발명에 기술된 장치 및 방법은, 예컨대 사용자가 CMP 적용을 위한 캐리어 헤드 내의 압력을 조절하는데 사용될 수 있다. 상술한 PCS는, 이에 한정되지는 않지만, 반도체 처리 장치를 포함하는 많은 다른 적용에 사용될 수 있다.
복수의 지대 내의 압력을 제어하기 위한 장치 및 방법이 특정 실시예로 기술되었지만, 이러한 실시예의 개념은 다른 실시예에도 마찬가지로 사용될 수 있다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에서만 제한된다.
특허청구범위에서, 요소를 지칭할 때, 하나의 요소만을 지칭하는 것이 아니라 하나 이상을 포함할 수 있는 것으로 의도된다. 당업자에 잘 공지된 본원에서의 각종 실시예의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 동등물이 참고로 포함되며, 특허청구범위에 의해 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 복수의 지대 내에서 유체의 압력을 제어하는 압력 제어 장치에 있어서,
    유체의 가압원으로부터 상기 복수의 지대로 유체를 분배하도록 구성되어, 각각의 지내 내에 위치된 측정 챔버 내로 그리고 그 외부로 유체를 흐르게 하는 분배 매니폴드;
    상기 분배 매니폴드에 연결되며, 상기 지대 내에서 상기 측정 챔버 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 지대를 통한 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 구비하는, 각각의 지대에 대한, 하나 이상의 메인 매니폴드; 및
    상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드에 연결되며, 상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드와는 독립적으로 교체되는 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드로서, 각각의 지대 및 하나 이상의 진공원에 연결되는, 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드;를 포함하는 압력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐기가능한 매니폴드는,
    각각의 지대에 대해, 상기 폐기가능한 매니폴드를 상기 지대에 연결하도록 구성된 지대 포트; 및
    상기 폐기가능한 매니폴드를 상기 진공원에 연결하도록 구성된 하나 이상의 진공 포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폐기가능한 매니폴드는,
    각각의 지대에 대해, 상기 진공원에 연결되며 상기 지대를 통해 흐르는 유체의 압력을 감소시키도록 구성된 밸브; 및
    각각의 지대에 대해, 상기 지대를 통해 흐르는 유체 압력의 감소 비율을 늦추도록 구성된 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 매니폴드는 상기 분배 메니폴드와 상기 폐기가능한 매니폴드와 독립적으로 교체되는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분배 매니폴드는,
    압력 라인을 거쳐 유체의 가압원과 연통하는 압력 입구 포트; 및
    진공 라인을 거쳐 상기 분배 매니폴드를 진공 출구에 연결하는 진공 출구 포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 가스를 포함하고,
    상기 측정 챔버는 CMP 캐리어 헤드 내에 블래더를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스는 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 지대 중 하나 이상은 상기 압력 센서와 상기 제어 밸브로부터 이격되게 위치되는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지대 중 적어도 몇 개는 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메인 매니폴드는 복수의 메인 매니폴드를 포함하는 메인 매니폴드 조립체를 포함하며,
    상기 메인 매니폴드 중 각각의 하나는 상기 복수의 지대 중 각각의 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드는 복수의 폐기가능한 매니폴드를 구비하는 폐기가능한 매니폴드 조립체를 포함하며,
    상기 폐기가능한 매니폴드 중 각각의 하나는 상기 복수의 지대 중 각각의 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 지대 중 적어도 몇 개는 서로 상이한 압력 제어 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 제어 장치.
  13. 복수의 지대 내에서 유체의 압력을 제어하도록 구성된 다수 지대의 압력 제어 장치를 위한 폐기가능한 매니폴드에 있어서,
    상기 폐기가능한 매니폴드를 진공원에 연결하도록 구성된 하나 이상의 진공 포트;
    각각의 지대에 대해, 상기 폐기가능한 매니폴드를 상기 지대에 연결하도록 구성된 지대 포트;
    상기 진공원에 연결되며, 상기 지대를 통해 흐르는 액체의 압력을 감소시키도록 구성된 밸브; 및
    상기 지대를 통해 흐르는 액체 압력의 감소 비율을 낮추도록 구성된 밸브;를 포함하며,
    상기 폐기가능한 매니폴드는 유체의 가압원으로부터 유체를 수용하여 상기 복수의 지대를 통해 액체가 흐르게 하도록 구성된 분배 매니폴드; 및
    각각의 지대에 대해, 상기 지대 내에서 측정 챔버 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 지대를 통해 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 구비하는 매인 매니폴드에 연결되며,
    상기 폐기가능한 매니폴드는 상기 분배 매니폴드와 상기 메인 매니폴드와 독립적으로 교체되는 폐기가능한 매니폴드.
  14. 복수의 지대 내에서 유체의 압력을 제어하도록 구성된 다수 지대의 압력 제어 장치를 위한 메인 매니폴드에 있어서,
    각각의 지대에 대해, 상기 지대 내에서 측정 챔버 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 지대를 통해 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 포함하며,
    상기 메인 매니폴드는, 유체의 가압원으로부터 유체를 수용하여 상기 복수의 지대를 통해 액체가 흐르게 하도록 구성되고, 상기 분배 매니폴드와 독립적으로 교체되며, 상기 복수의 지대 및 상기 압력 제어 장치용 진공원과 연통하는 분배 매니폴드에 연결되는 메인 매니폴드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 메인 매니폴드는 상기 분배 매니폴드와 상기 폐기가능한 매니폴드와 독립적으로 교체되는 것을 특징으로 하는 메인 매니폴드.
  16. CMP (chemical mechanical polishing) 캐리어 헤드에 있어서,
    복수의 블래더를 구비하는 캐리어 헤드;
    상기 블래더 내에서 유체의 압력을 제어하도록 구성되는 압력 제어 장치로서, 상기 압력 제어 장치는 분배 매니폴드, 상기 분배 매니폴드에 결합되는 하나 이상의 메인 매니폴드, 및 상기 분배 매니폴드와 독립적으로 교체되는 하나 이상의 폐기가능한 매니폴드를 구비하며, 상기 분배 매니폴드는 가압원으로부터 상기 블래더로 유체를 분배하도록 구성되고, 상기 메인 매니폴드는, 각각의 블래더에 대해, 상기 블래더 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서와, 상기 블래더를 통해 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 제어 밸브를 구비하며, 상기 폐기가능한 매니폴드는 하나 이상의 진공원과 각각의 블래더에 연결되는, 상기 압력 제어 장치; 및
    상기 캐리어 헤드와 상기 압력 제어 장치 사이에 결합되는 로터리;를 포함하는 CMP 캐리어 헤드.
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