KR20120002563A - 탄성 멤브레인 - Google Patents

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KR20120002563A
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마코토 후쿠시마
도모시 이노우에
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Abstract

본 발명에 따른 탄성 멤브레인은, 리테이너링 가압기구에 사용되는 탄성 멤브레인으로서, 제1 멤브레인부, 및 휘어진 영역(curved region)을 형성함으로써, 리테이너 압력 챔버의 경계를 한정짓는 제2 멤브레인부를 포함하고, 상기 탄성 멤브레인은 팽창 가능하고, 수축 가능(contractible)하여, 상기 리테이너 압력챔버로 공급될 유체의 압력을 조절함으로써, 리테이너링을 폴리싱 패드에 가압하도록 구성된다.

Description

탄성 멤브레인{ELASTIC MEMBRANE}
본 발명은, 폴리싱 장치의 리테이너링 가압기구에 사용되는 탄성 멤브레인에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 폴리싱될 피가공물로서 기판을 홀딩하여, 상기 기판을 폴리싱면에 대해 가압하기 위한 기판홀딩장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판을 폴리싱하여 기판을 평탄화하는 폴리싱장치에 있어서, 반도체웨이퍼 등과 같은 기판을 홀딩하기 위한 기판홀딩장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 기판홀딩장치를 구비한 폴리싱장치 및 상기 폴리싱장치에 의해 실시되는 폴리싱방법에 관한 것이다.
최근에는, 반도체디바이스들이 더욱 집적화되고, 반도체소자들의 구조가 더욱 복잡해졌다. 또한, 논리시스템에 사용되는 멀티-레벨 인터커넥트(multi-level interconnects)에서의 레벨의 수가 증가되고 있다. 이에 따라, 반도체디바이스의 표면 상의 불규칙성이 증가하게 되어, 상기 반도체디바이스의 표면 상의 스텝 높이가 더욱 커지는 경향이 있다. 이는 반도체디바이스를 제조하는 공정에 있어서, 반도체기판 상에 박막이 형성된 다음, 홀 형성 또는 패터닝과 같은 미세가공 공정들이 상기 반도체기판 상에서 수행되기 때문이며, 이들 공정들은 상기 반도체기판 상에 후속 박막을 형성하기 위해 여러 번 반복된다.
반도체디바이스의 표면의 불규칙성이 높아지면, 다음과 같은 문제점이 발생한다: 박막이 반도체디바이스 상에 형성되는 경우, 스텝을 갖는 부분에 형성된 막의 두께가 비교적 얇다. 인터커넥트들의 단선(disconnection)에 의해 개방 회로가 야기되고, 또는 인터커넥트 층들간의 불충분한 절연에 의해 단락 회로가 야기된다. 그 결과, 좋은 제품이 얻어질 수 없으며, 수율이 감소하기 쉽다. 또한, 반도체디바이스가 초기에 정상적으로 작동하더라도, 장기간 사용 후에는 반도체디바이스의 신뢰성이 저하된다. 리소그라피 공정 동안의 노광 시, 조사면(irradiation surface)이 불규칙성을 가진다면, 노광시스템 내의 렌즈유닛이 국부적으로 언포커싱된다. 그러므로 반도체디바이스의 표면 상의 불규칙성이 증가된다면, 이는 반도체디바이스 상에 미세 패턴 자체를 형성하기 어렵다는 문제점이 된다.
이에 따라, 반도체디바이스를 제조하는 공정에서는, 반도체기판의 표면을 평탄화하는 것이 매우 중요하게 된다. 평탄화 기술들 가운데 가장 중요한 것이 CMP(Chemical Mechanical Polishing)이다. 폴리싱장치에 의해 수행되는 화학적 기계적 폴리싱 공정에서는, 실리카(SiO2)와 같은 연마입자를 함유하고 있는 폴리싱액이 폴리싱패드와 같은 폴리싱면 상에 공급되고, 반도체웨이퍼와 같은 기판이 상기 폴리싱면과 슬라이딩 접촉하게 되어, 상기 기판을 폴리싱하게 된다.
이러한 타입의 폴리싱장치는 폴리싱패드로 구성된 폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블, 및 반도체웨이퍼를 홀딩하기 위해 톱링 또는 캐리어헤드로 불리우는 기판홀딩장치를 포함하여 이루어진다. 반도체웨이퍼가 이러한 폴리싱장치로 폴리싱되면, 상기 반도체웨이퍼는 상기 기판홀딩장치에 의해 소정의 압력 하에 상기 폴리싱테이블에 대해 홀딩 및 가압된다. 이 때, 상기 폴리싱테이블 및 기판홀딩장치는 서로 상대적으로 이동하여, 상기 반도체웨이퍼가 상기 폴리싱면과 슬라이딩 접촉하도록 함으로써, 상기 반도체웨이퍼의 표면이 평면경마무리(flat mirror finish)로 폴리싱되도록 한다.
이러한 폴리싱장치에 있어서, 폴리싱되고 있는 반도체웨이퍼와 상기 폴리싱패드의 폴리싱면간의 상대적인 가압력이 반도체웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 균일하지 않다면, 상기 반도체웨이퍼가 불충분하게 폴리싱될 수도 있고, 또는 반도체웨이퍼의 일부 부분들에 가해지는 가압력에 따라 상기 부분들이 과도하게 폴리싱될 수도 있다. 그러므로 반도체웨이퍼를 홀딩하기 위하여, 고무와 같은 탄성재료로 만들어진 탄성멤브레인으로서 기판홀딩장치의 표면을 형성하고, 기압과 같은 유체압력을 상기 탄성멤브레인의 이면에 공급하여 반도체웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 상기 반도체웨이퍼에 가해지는 가압력을 균일화시키는 시도가 이루어졌다.
또한, 상기 폴리싱패드는 탄성적이어서 폴리싱되고 있는 반도체웨이퍼의 주변부에 가해지는 가압력들이 비균일하게 되므로, 상기 반도체웨이퍼의 주변부만이 과도하게 폴리싱될 수도 있는데, 이를 "에지 라운딩(edge rounding)"이라 한다. 이러한 에지 라운딩을 방지하기 위하여, 반도체웨이퍼가 그 주변부에 가이드링 또는 리테이너링에 의해 홀딩되고, 상기 반도체웨이퍼의 주변부에 대응하는 폴리싱면의 환형부가 상기 가이드링 또는 리테이너링에 의해 가압되는 기판홀딩장치가 사용되어 왔다.
하지만, 리테이너링을 사용하면, 상기 리테이너링에 의해 제자리에 홀딩되는 반도체웨이퍼가 폴리싱 공정 시에 상기 기판홀딩장치로부터 뜻하지 않게 벗어나기 쉬워, 안정하게 폴리싱될 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 관련 기술분야에 있어서 상기 상황의 관점에서 고안되었다. 그러므로 본 발명의 목적은 폴리싱될 피가공물로서 기판이 미끄러져 나가는 것을 방지하여 상기 기판이 안정하게 폴리싱되도록 하는데 효과적인 기판홀딩장치, 폴리싱장치, 폴리싱방법 및 탄성 멤브레인을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1실시형태에 따르면, 폴리싱될 피가공물로서 기판이 미끄러져 나가는 것을 방지하여 상기 기판이 안정하게 폴리싱되도록 하는 기판홀딩장치가 제공된다. 상기 기판홀딩장치는, 기판을 홀딩하여 폴리싱면에 대해 가압하기 위한 톱링바디, 및 상기 폴리싱면을 가압하기 위한 리테이너링을 포함하되, 상기 리테이너링은 상기 톱링바디의 외주부 상에 배치된다. 상기 리테이너링은, 자기재료로 만들어진 제1부재 및 상기 제1부재에 맞대어 유지되고, 자석이 그 표면 상에 배치된 제2부재를 포함하여 이루어진다.
따라서, 상기 리테이너링의 제1부재 및 제2부재는 자기력 하에 서로 고정되므로, 상기 리테이너링이 폴리싱 공정 동안에 진동하더라도 상기 제1부재 및 제2부재가 서로 달라붙어 유지된다. 상기 리테이너링은 진동으로 인하여 폴리싱면을 갑작스럽게 들어올리는 것이 방지된다. 그러므로 리테이너링에 의해 부과되는 표면압력이 안정화되고, 반도체웨이퍼가 기판홀딩장치로부터 미끄러져 나갈 수도 있는 가능성을 줄이게 된다. 만일 유지보수 등을 위해 제1부재와 제2부재를 서로 분리시켜야 한다면, 자기력 하에 상기 제1부재와 제2부재간의 결합이 약화되어, 상기 제1부재 및 제2부재가 서로 용이하게 분리되도록 한다.
상기 제1부재는 상기 제2부재를 상기 폴리싱면에 대해 가압하기 위한 피스톤을 포함하여 이루어질 수도 있고, 또는 상기 제2부재가 상기 제1부재를 상기 폴리싱면에 대해 가압하기 위한 피스톤을 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 제1부재는 제2부재를 제1부재로부터 분리시키기 위해 각운동가능한 캠리프터(cam lifter)를 포함한 캠기구를 구비할 수도 있고, 또는 제2부재가 제1부재를 제2부재로부터 분리시키기 위해 각운동가능한 캠리프터를 포함한 캠기구를 구비할 수도 있다.
본 발명의 제2실시형태에 따르면, 기판이 미끄러져 나가는 것을 방지하면서 폴리싱될 피가공물로서 기판을 안정하게 폴리싱하기 위한 폴리싱장치가 제공된다. 상기 폴리싱장치는, 폴리싱면, 기판을 폴리싱하기 위해 상기 기판을 홀딩하여 상기 폴리싱면에 대해 가압하기 위한 톱링바디, 상기 폴리싱면을 가압하기 위한 리테이너링을 포함하되, 상기 리테이너링은 상기 톱링바디의 외주부 상에 배치된다. 상기 폴리싱장치는 또한 상기 리테이너링의 높이를 2이상의 위치에서 검출하기 위한 센서 및 상기 센서에 의해 검출되는 상기 리테이너링의 높이를 토대로, 상기 리테이너링의 기울기를 계산하기 위한 프로세서를 구비한다. 상기 센서는 상기 폴리싱면의 회전방향으로 상기 톱링바디의 상류와 하류에 각각 배치되어야 하는 것이 바람직하다.
상기 2이상의 위치에서의 리테이너링의 높이는 상기 센서에 의해 검출되고, 상기 리테이너링의 기울기는 상기 프로세서에 의해 검출된 높이로부터 계산된다. 이렇게 리테이너링의 기울기를 계산함으로써, 상기 프로세서는 톱링바디에 의해 유지되는 기판이 상기 리테이너링의 과도한 경사로 인하여 상기 톱링바디로부터 미끄러져 나갈 수도 있는 가능성을 예측할 수 있다. 그러므로 상기 기판은 상기 예측된 가능성을 토대로 상기 톱링바디로부터 미끄러져 나가는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 제3실시형태에 따르면, 기판이 미끄러져 나가는 것을 방지하면서 폴리싱될 피가공물로서 기판을 안정하게 폴리싱하기 위한 폴리싱방법이 제공된다. 상기 폴리싱방법은, 리테이너링이 톱링바디의 외주부 상에 배치된 기판의 외주부를 홀딩하고, 상기 리테이너링을 폴리싱면에 대해 가압하면서, 상기 기판을 상기 톱링바디와 함께 상기 폴리싱면에 대해 가압함으로써 상기 기판을 폴리싱한다. 상기 폴리싱방법은, 상기 리테이너링의 기울기를 측정하는 단계, 및 상기 리테이너링의 기울기가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 외부경보신호를 발생시키는 단계, 상기 기판의 폴리싱을 중단시키는 단계, 또는 소정의 폴리싱 조건으로 변경하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 또한 또다른 폴리싱방법을 제공한다. 상기 폴리싱방법은, 리테이너링이 톱링바디의 외주부 상에 배치된 기판의 외주부를 홀딩하고, 상기 리테이너링의 리테니어링바디를 폴리싱면에 대해 가압하면서, 상기 기판을 상기 톱링바디와 함께 상기 폴리싱면에 대해 가압함으로써 기판을 폴리싱한다. 상기 폴리싱방법은, 상기 리테이너링바디의 기울기를 측정하는 단계, 및 상기 리테이너링바디의 기울기가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 외부경보신호를 발생시키는 단계, 상기 기판의 폴리싱을 중단시키는 단계, 또는 소정의 폴리싱 조건으로 변경하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 탄성 멤브레인은, 리테이너링 가압기구에 사용되는 탄성 멤브레인으로서, 제1 멤브레인부, 및 휘어진 영역(curved region)을 형성함으로써, 리테이너 압력 챔버의 경계를 한정짓는 제2 멤브레인부를 포함하고, 상기 탄성 멤브레인은 팽창 가능하고, 수축 가능(contractible)하여, 상기 리테이너 압력챔버로 공급될 유체의 압력을 조절함으로써, 리테이너 링을 폴리싱 패드에 가압하도록 구성된다.
본 발명의 상기 목적과 기타 목적, 특징 및 장점들은 예시의 방법을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 첨부도면들과 연계하여 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 폴리싱될 피가공물로서 기판이 미끄러져 나가는 것을 방지하여 상기 기판이 안정하게 폴리싱되도록 하는데 효과적인 기판홀딩장치, 폴리싱장치, 폴리싱방법 및 탄성 멤브레인을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 톱링(기판홀딩장치)과 합체된 폴리싱장치의 개략적인 측면도;
도 2는 도 1에 도시된 폴리싱장치 내의 톱링의 수직단면도;
도 3은 리테이너링 근처에 있는 도 2에 도시된 톱링의 일부분의 부분확대수직단면도;
도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도;
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리싱장치 내의 톱링의 수직단면도; 및
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리싱장치의 평면도이다.
이하, 본 발명에 따른 기판홀딩장치 및 폴리싱장치의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 후술하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판홀딩장치와 합체된 폴리싱장치의 개략적인 측면도를 보여준다. 상기 기판홀딩장치는 폴리싱될 피가공물로서 반도체웨이퍼 등과 같은 기판을 홀딩하여, 상기 기판을 폴리싱테이블 상의 폴리싱면에 대해 가압하는 역할을 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 폴리싱장치는 본 발명에 따른 기판홀딩장치를 구성하는 톱링(1), 및 상기 톱링(1) 아래쪽에 배치되어 폴리싱패드(101)가 폴리싱테이블(100)의 상부면에 부착된 폴리싱테이블(100)을 포함한다. 상기 폴리싱테이블(100) 위쪽에는 폴리싱액공급노즐(102)이 배치된다. 상기 폴리싱액공급노즐(102)은 폴리싱액(Q)을 상기 폴리싱테이블(100) 상의 폴리싱패드(101)로 공급한다.
각종 폴리싱패드가 시판되고 있다. 예를 들면, Rodel사가 제조한 SUBA800, IC-1000, IC-1000/SUBA400(2층포) 및 Fujimi사가 제조한 Surfin xxx-5, Surfin 000을 들 수 있다. SUBA800, Surfin xxx-5 및 Surfin 000은 우레탄 수지로 접착된 부직포이고, IC-1000은 리지드 폼 폴리우레탄(단층)으로 제조된다. 폼 폴리우레탄은 다공성으로, 그 표면에 형성된 수많은 미세 리세스 또는 홀들을 가진다.
상기 톱링(1)은 수직이동기구(24)에 의해 톱링헤드(110)에 대해 수직방향으로 이동가능한 톱링샤프트(11)의 하단부에 연결되어 있다. 상기 수직이동기구(24)가 상기 톱링샤프트(11)를 수직방향으로 이동시키면, 상기 톱링(1)은 상기 톱링헤드(110)에 대해 위치설정하기 위해 전체로서 상승 및 하강된다. 상기 톱링샤프트(11)의 상단부에는 로터리조인트(25)가 장착되어 있다.
상기 톱링샤프트(11) 및 톱링(1)을 수직방향으로 이동시키기 위한 수직이동기구(24)는, 상기 톱링샤프트(11)가 베어링(26)에 의해 회전가능하게 지지되는 브릿지(28), 상기 브릿지(28) 상에 장착된 볼스크루(32), 지지포스트(30)에 의해 지지되는 지지베이스(29) 및 상기 지지베이스(29) 상에 장착된 AC 서보모터(38)를 포함하여 이루어진다. 상기 AC 서보모터(38)를 그 위에 지지하는 지지베이스(29)는 상기 지지포스트(30)에 의해 상기 톱링헤드(110) 상에 고정식으로 장착된다.
상기 볼스크루(32)는 상기 AC 서보모터(38)에 결합된 스크루샤프트(32a) 및 상기 스크루샤프트(32a) 위로 나사결합된 너트(32b)를 포함하여 이루어진다. 상기 톱링샤프트(11)는 상기 수직이동기구(24)에 의해 상기 브릿지(28)와 일체되어 수직방향으로 이동가능하다. 상기 AC 서보모터(38)가 작동되면, 상기 브릿지(28)는 상기 볼스크루(32)를 통해 수직방향으로 이동하므로, 상기 톱링샤프트(11) 및 톱링(1)이 수직방향으로 이동하게 된다.
상기 톱링샤프트(11)는 키(도시안됨)에 의해 로터리슬리브(112)에 연결된다. 상기 로터리슬리브(112)는 그 주위에 고정식으로 배치된 타이밍풀리(113)를 구비한다. 구동샤프트를 구비한 톱링모터(114)는 상기 톱링헤드(110)의 상부면에 고정된다. 상기 타이밍풀리(113)는 타이밍벨트(115)에 의해 상기 톱링모터(114)의 구동샤프트 상에 장착된 타이밍풀리(116)에 작동가능하게 결합된다. 상기 톱링모터(114)가 작동되면, 상기 타이밍풀리(116), 타이밍벨트(115) 및 타이밍풀리(113)가 회전되어, 상기 로터리슬리브(112) 및 톱링샤프트(11)를 서로 하나되어 회전시킴으로써, 상기 톱링(1)을 회전시키게 된다. 상기 톱링헤드(110)는 프레임(도시안됨) 상에 회전가능하게 지지된 톱링헤드샤프트(117) 상에 지지된다.
도 2는 톱링(1)의 수직단면도를 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 톱링(1)은 기본적으로 그 하부면 상에 홀딩된 반도체웨이퍼를 폴리싱면으로서 폴리싱패드(101)에 대해 가압하기 위한 톱링바디(2), 및 상기 폴리싱패드(101)를 직접 가압하기 위한 리테이너링(3)을 포함하여 이루어진다. 상기 톱링바디(2)는 디스크형의 상부부재(300), 상기 상부부재(300)의 하부면 상에 장착된 중간부재(304) 및 상기 중간부재(304)의 하부면 상에 장착된 하부부재(306)를 구비한다. 상기 리테이너링(3)은 상기 상부부재(300)의 외주부의 하부면 상에 장착된 실린더(400) 및 상기 하부부재(306)의 외주부 상에 장착된 가이드(401)를 구비한다. 따라서, 상기 실린더(400) 및 가이드(401)는 상기 톱링바디(2)와 하나되어 회전가능하다.
상기 상부부재(300)는 볼트(308)에 의해 톱링샤프트(11)에 체결된다. 상기 중간부재(304)는 볼트(도시안됨)에 의해 상부부재(300)에 체결된다. 상기 하부부재(306)는 볼트(도시안됨)에 의해 중간부재(300)에 체결된다. 상기 상부부재(300), 중간부재(304) 및 하부부재(306)는 함께 엔지니어링 플라스틱(예컨대, PEEK)과 같은 합성 수지로 제조된 주조립체를 형성한다.
반도체웨이퍼의 반전면과 맞대어 맞물리게 하기 위한 탄성멤브레인(314)이 상기 하부부재(306)의 하부면 상에 장착된다. 상기 탄성멤브레인(314)은 상기 하부부재(306)의 외주에지부 상에 배치된 환형에지홀더(316), 및 상기 환형에지홀더(316)의 방사상 안쪽으로 배치되는 홀더(319)에 의해 상기 하부부재(306)의 하부면에 부착된다. 상기 탄성멤브레인(314)은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무와 같은 매우 강하면서도 내구성이 있는 고무재료로 만들어진다.
상기 에지홀더(316)는 복수의 스토퍼(320)에 의해 상기 하부부재(306)의 하부면에 부착되는 보조링(318)에 의해 홀딩된다. 상기 홀더(319)는 복수의 스토퍼(도시안됨)에 의해 상기 하부부재(306)의 하부면에 부착된다. 이들 스토퍼들은 상기 톱링(1)의 원주방향으로 균등하게 이격된 간격으로 위치되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 탄성멤브레인(314)은 그 내부의 중심방향으로 형성된 중앙챔버(360)를 구비한다. 상기 홀더(319)는 그 안에 형성되어 상기 중앙챔버(360)와 연통되는 유로(324)를 구비한다. 상기 하부부재(306)는 그 안에 형성되어 상기 유로(324)와 연통되는 유로(325)를 구비한다. 상기 유로(324, 325)는 도 1에 모두 도시된 유로(41) 및 레귤레이터(R1)를 통해 압력조절유닛(120)에 연결되어 있다. 상기 압력조절유닛(120)은 레귤레이터(R1), 유로(41, 325, 324)를 통한 압력 하에 유체를 중앙챔버(360)로 공급한다. 상기 압력조절유닛(120)은 압축공기원으로부터 가압된 공기와 같은 가압된 유체를 공급하여 또는 펌프 등으로 유로를 배기시킴으로써 상기 유체의 압력을 조절한다.
상기 홀더(319)는 하부부재(306)의 하부면에 대해 탄성멤브레인(314)의 리플파티션(ripple partition; 314a)을 홀딩한다. 상기 보조링(318)은 상기 하부부재(306)의 하부면에 대해 상기 탄성멤브레인(314)의 외측파티션(314b) 및 에지파티션(314c)을 홀딩한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 탄성멤브레인(314)의 리플파티션(314a)과 외측파티션(314b) 사이에는 환형리플챔버(361)가 형성된다. 상기 보조링(318)과 홀더(318) 사이의 탄성멤브레인(314)에는 갭(314d)이 형성된다. 상기 하부부재(306)는 그 안에 형성되어 상기 갭(314d)과 연통되는 유로(342)를 구비한다. 상기 중간부재(304)는 그 안에 형성되어 상기 하부부재(306) 내에 형성된 유로(342)와 연통되는 유로(344)를 구비한다. 상기 하부부재(306) 내의 유로(342)와 상기 중간부재(304) 내의 유로(344) 사이의 접합부에 있는 상기 하부부재(306)에는 환형홈(347)이 형성된다. 상기 하부부재(306) 내의 유로(342)는 상기 환형홈(347), 상기 중간부재(304) 내의 유로(344) 및 도 1에 모두 도시된 유로(42)와 레귤레이터(R2)를 통해 압력조절유닛(120)에 연결된다. 상기 압력조절유닛(120)은 상기 레귤레이터(R2)와 유로(42, 344, 342)를 통한 압력 하에 유체를 리플챔버(361)로 공급한다. 상기 유로(342)는 진공펌프(도시안됨)에 선택적으로 연결된다. 상기 진공펌프가 작동되면, 반도체웨이퍼가 탄성멤브레인(314)의 하부면으로 흡인될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 보조링(318)은 그 안에 형성되어 상기 탄성멤브레인(314)의 외측파티션(314b)과 에지파티션(314c) 사이에 형성되어 있는 환형외측챔버(362)와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 하부부재(306)는 그 안에 형성되어 커넥터(도시안됨)를 통해 상기 보조링(318) 내의 유로와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 중간부재(304)는 그 안에 형성되어 상기 하부부재(306) 내의 유로와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 보조링(318) 내의 유로는 상기 하부부재(306) 내의 유로, 상기 중간부재(304) 내의 유로 및 도 1에 모두 도시된 유로(43)와 레귤레이터(R3)를 통해 상기 압력조절유닛(120)에 연결된다. 상기 압력조절유닛(120)은 레귤레이터(R3)와 유로(43) 및 상기 언급된 유로들을 통한 압력 하에 유체를 외측챔버(362)로 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 에지홀더(316)는 상기 하부부재(306)의 하부면에 대해 탄성멤브레인(314)의 측벽(314e)을 홀딩한다. 상기 에지홀더(316)는 그 안에 형성되어 상기 탄성멤브레인(314)의 에지파티션(314c)과 측벽(314e) 사이에 형성된 환형에지챔버(363)와 연통되는 유로(334)를 구비한다. 상기 하부부재(306)는 그 안에 형성되어 상기 에지홀더(316) 내의 유로(334)와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 중간부재(304)는 그 안에 형성되어 상기 하부부재(306) 내의 유로와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 에지홀더(316) 내의 유로(334)는 상기 하부부재(306) 내의 유로, 상기 중간부재(304) 내의 유로 및 도 1에 모두 도시된 유로(44)와 레귤레이터(R4)를 통해 상기 압력조절유닛(120)에 연결된다. 상기 압력조절유닛(120)은 상기 레귤레이터(R4)와 유로(44, 334) 및 상기 언급된 유로들을 통한 압력 하에 유체를 상기 에지챔버(363)로 공급한다.
상기 실시예의 톱링(1)에 있어서, 상기 탄성멤브레인(314)과 하부부재(306) 사이에 형성된 압력챔버로 공급되는 유체의 압력, 즉 상기 중앙챔버(360), 리플챔버(361), 외측챔버(362) 및 에지챔버(363) 내의 유체의 압력 및 리테이너챔버(410)로 공급되는 유체의 압력은 독립적으로 조절된다. 여러 챔버들 내에 독립적으로 조절된 유체 압력을 갖는 톱링(1)은 상기 톱링(1)이 반도체웨이퍼의 각각의 영역에 있어서 상기 폴리싱패드(101)에 대해 반도체웨이퍼를 가압하는 가압력을 조정하고, 또한 상기 리테이너링(3)이 폴리싱패드(101)를 가압하는 가압력을 조정하는 것을 가능하게 만든다.
상기 리테이너링(3)은 반도체웨이퍼의 외주에지를 홀딩하는 역할을 한다. 상기 리테이너링(3)은 그 상단부가 폐쇄된 중공실린더(400)를 포함하는 리테이너링가압기구(411), 수직관통구멍이 그 안에 형성된 가이드(401) 및 수직이동가능한 리테이너링부(412)를 포함하여 이루어진다. 탄성멤브레인(404)은 상기 실린더(400)의 상부에 배치된 홀더(402)에 의해 상기 실린더(400) 내에 홀딩되고, 피스톤(406)은 상기 탄성멤브레인(404)의 하단부에 연결된다. 상기 가이드(401)는 그 안에 수직이동가능한 리테이너링부(412)를 홀딩하는데, 이는 링부재(408) 및 리테이너링바디(409)를 포함하는 피스톤(406)에 의해 아래쪽으로 가압될 수 있다. 상기 탄성멤브레인(404)은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무와 같은 매우 강하면서도 내구성이 있는 고무재료로 만들어진다.
상기 가이드(401)는 방사상 안쪽으로 돌출되어 상기 링부재(408) 내로 연장되는 각각의 원단부를 구비한 복수의 구동핀(도시안됨)을 구비한다. 따라서, 상기 가이드(401) 및 리테이너링부(412)는 서로 하나되어 회전하기 위한 구동핀에 의해 서로 결합된다. 구체적으로는, 상기 링부재(408)는 그 안에 형성되어 상기 가이드(401)의 각각의 구동핀을 수용하는 수직방향으로 세장형인 복수의 구멍을 구비한다. 상기 가이드(401)의 구동핀은 각각의 세장형 구멍 내에서 수직방향으로 이동할 수 있으므로, 상기 가이드(401)가 상기 링부재(408)에 대해 수직방향으로 이동할 수 있다.
상기 홀더(402)는 그 안에 형성되어 상기 탄성멤브레인(404)에 의해 형성된 리테이너압력챔버(410)와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 실린더(400)는 그 상부에 형성되어 상기 홀더(402) 내의 유로와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 상부부재(300)는 상기 실린더(400) 내의 유로와 연통되는 유로(도시안됨)를 구비한다. 상기 홀더(402) 내의 유로는 상기 실린더(400) 내의 유로, 상기 상부부재(300) 내의 유로, 및 도 1에 모두 도시된 유로(45)와 레귤레이터(R5)를 통해 상기 압력조절유닛(120)에 연결된다. 상기 압력조절유닛(120)은 상기 레귤레이터(R5)와 유로(45) 및 상기 언급된 유로들을 통한 압력 하에 유체를 상기 리테이너압력챔버(410)로 공급한다. 상기 리테이너압력챔버(410)로 공급되는 유체의 압력이 압력조절유닛(120)에 의해 조절되면, 상기 탄성멤브레인(404)은 피스톤(406)을 수직방향으로 이동시키기 위해 팽창 또는 수축되어, 상기 리테이너링부(412)의 리테이너링바디(409)를 소정의 압력 하에 상기 폴리싱패드(101)에 대해 가압시키게 된다. 상기 리테이너링부(412)를 아래쪽으로 가압하기 위한 리테이너링가압기구(411)는 따라서 실린더(400), 홀더(402), 탄성멤브레인(404), 피스톤(406) 및 리테이너압력챔버(410)로 이루어진다.
예시된 실시예에 있어서, 상기 탄성멤브레인(404)은 롤링 다이어프램(rolling diaphragm)을 포함하여 이루어진다. 상기 롤링 다이어프램은 곡선 영역을 갖는 다이어프램을 포함하여 이루어진다. 롤링 다이어프램에 의해 구획된 챔버 내의 유체의 압력이 변하면, 상기 다이어프램의 곡선 영역은 상기 챔버 내의 공간을 늘리거나 줄이기 위해 롤링한다. 상기 롤링 다이어프램은 비교적 긴 사용 연한을 가지는데, 그 이유는 상기 챔버 내의 공간이 증가될 때마다 그 확장이 작기 때문이다. 상기 롤링 다이어프램의 확장이 작으므로, 상기 롤링 다이어프램 상의 하중의 손실이 작고, 상기 하중은 상기 롤링 다이어프램의 스트로크에서의 작은 변동을 겪게 된다. 결과적으로, 상기 리테이너링부(412)의 리테이너링바디(409)에 의해 폴리싱패드(101)에 가해지는 힘이 정밀하게 조정될 수 있게 된다.
이렇게 구성된 리테이너링(3)은 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)만이 상기 폴리싱패드(101)를 향해 하강되도록 한다. 그러므로, 상기 리테이너링부(412)의 리테이너링바디(409)가 마모되더라도, 상기 리테이너링바디(409)는 상기 하부부재(306) 및 폴리싱패드(101)가 서로 일정한 거리로 이격되어 있으면서 상기 폴리싱패드(101)에 대해 일정하게 가압될 수 있다. 상기 폴리싱패드(101)에 대해 유지되는 리테이너링바디(409)를 포함하는 리테이너링부(412) 및 실린더(400)는 탄성적으로 변형가능한 탄성멤브레인(404)에 의해 서로 연결되기 때문에, 상기 리테이너링부(412)는 로딩된 지점의 오프셋에 의해 생성될 수 있는 벤딩 모멘트(bending moment)가 없게 된다. 이에 따라, 상기 리테이너링바디(409)에 의해 가해지는 표면 압력이 균일화되고, 상기 리테이너링바디(409)는 상기 폴리싱패드(101)를 잡는 능력이 향상된다. 상기 탄성멤브레인(404)은 30 내지 80의 범위에 있는 경도(JIS-A)를 갖는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무와 같은 매우 강하면서도 내구성이 있는 고무재료로 만들어질 수도 있고, 또는 얇은 합성수지필름으로 만들어질 수도 있다. 저경도의 얇은 탄성멤브레인은 저손실 하중 제어가 가능하지만, 탄성멤브레인(404)의 경도 및 두께는 그 내구성의 관점에서 결정하는 것이 바람직하다.
상기 리테이너링가압기구(411)의 피스톤(406) 및 상기 리테이너링부(412)의 링부재(408)는 자기력 하에 서로 고정된다. 구체적으로는, 상기 실시예에 따르면, 상기 피스톤(406)이 자기재료로 만들어지고, 그 표면이 부식 방지를 위해 코팅되거나 도금된다. 상기 피스톤(406)을 향하는 링부재(408)의 표면에는 자석(420)이 매입되어 있다. 그러므로, 상기 링부재(408)는 자기력 하에 상기 자석(420)으로부터 상기 피스톤(406)으로 흡인되어 고정된다.
상기 피스톤(406) 및 링부재(408)는 이렇게 자기력 하에 서로 고정되기 때문에, 상기 피스톤(406) 및 링부재(408)는 상기 리테이너링부(412)의 리테이너링바디(409)가 폴리싱 공정 시에 진동하더라도 단단히 유지된다. 상기 리테이너링부(412)는 진동으로 인해 폴리싱패드(101)로부터 갑작스럽게 상승되는 것이 방지된다. 그러므로 상기 리테이너링바디(409)에 의해 부과되는 표면 압력이 안정화되어, 반도체웨이퍼가 톱링(1)으로부터 미끄러져 나갈 수도 있는 가능성을 줄이게 된다(도 1 참조).
상기 하부부재(306)와 리테이너링부(412) 및 그와 결합된 여타의 구성요소들은 함께 캐리어 조립체를 형성한다. 상기 캐리어 조립체는 유지보수를 위해 상기 톱링(1)의 다른 부분들로부터 빈번하게 제거된다. 하지만, 피스톤(406)은 유지보수가 적다. 상기 리테이너링가압기구(411)의 피스톤(406) 및 상기 리테이너링부(412)의 링부재(408)는 서로 자기력 하에 부착되기 때문에, 보다 빈번하게 제거되는 캐리어 조립체의 링부재(408)가 덜 빈번하게 제거되는 피스톤(406)으로부터 용이하게 분리될 수 있다.
상기 톱링(1)은 리테이너링가압부재(411)의 피스톤(406)과 상기 리테이너링부(412)의 링부재(408)를 서로 분리하기 위한 기구를 구비한다. 도 3은 리테이너링(3) 부근에 있는 톱링(1)의 일부분의 부분확대수직단면도를 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 링부재(408)는 각각의 샤프트(430)를 중심으로 회전가능한 복수의 캠리프터(432)를 구비한다. 도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 캠리프터(432)는 상기 샤프트(430)의 중심으로부터 상이한 반경을 가진다. 캠리프터(432)가 회전하면, 최대 반경을 갖는 그 로브(lobe; 432a)가 피스톤(406)과 접촉하여 상승시킨다. 각각의 캠리프터(432)의 샤프트(430)는 그 내부에 렌치(wrench)를 삽입하기 위해 그 외측단면에 동축으로 형성된 렌치홀(434)을 구비한다.
상기 링부재(408)는 그 상부면 상에 위쪽으로 지정된 랜드(land; 408a)를 구비하고, 상기 피스톤(406)은 그 하부면에 형성된 리세스(406a)를 구비하며, 상기 리세스(406a)는 상기 위쪽으로 지정된 랜드(408a)에 대해 상보적인 모양으로 되어 있다. 상기 링부재(408)의 위쪽으로 지정된 랜드(408a)가 상기 피스톤(406)의 리세스(406a) 내에 핏팅되면, 상기 링부재(408)는 상기 피스톤(406)에 대해 위치설정된다.
각각의 캠리프터(432)는 그 내측면에 형성된 직사각형 리세스(436)를 구비하고, 상기 리세스(436) 내로 가압되기 위한 볼(438)이 상기 링부재(408)의 측면 상에 배치된다. 상기 직사각형 리세스(436)에 수용되는 볼(438)은 그 움직임이 상기 직사각형 리세스(436) 이내로 제한되기 때문에, 상기 캠리프터(432)는 상기 직사각형 리세스(436)에 의해 제공되는 각도 범위 이내에서 상기 샤프트(430)를 중심으로 각운동가능하다.
상기 캐리어 조립체의 유지보수에 대해서는, 렌치가 렌치홀(434) 안으로 삽입되어 상기 캠리프터(432)를 회전시키기 위해 회전되어, 상기 로브(432a)가 피스톤(406)을 상승시킴으로써, 상기 리테이너링가압기구(411)의 피스톤(406)과 상기 리테이너링부(412)의 링부재(408) 사이에 갭을 강제적으로 생성하게 된다. 이에 따라, 상기 피스톤(406)과 자석(420) 사이에 작용하는 자기력이 약화되어, 상기 피스톤(406)과 링부재(408)가 용이하게 분리될 수 있게 된다.
도 2에서, 상기 피스톤(406)은 자기재료로 만들어지고, 상기 자석(420)은 상기 링부재(408) 내에 매입된다. 하지만, 상기 링부재(408)가 자기재료로 만들어질 수도 있고, 상기 자석(420)이 상기 피스톤(406) 내에 매입될 수도 있다. 도 2에서, 상기 캠리프터(432)는 상기 링부재(408) 상에 제공된다. 하지만, 상기 캠리프터(432)는 상기 피스톤(406) 상에 제공될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리싱장치 내의 기판홀딩장치(톱링)(501)의 수직단면도를 보여준다. 도 6은 폴리싱장치의 평면도를 보여준다. 도 2 및 도 3에 도시된 것과 동일한 톱링(501)의 부분들은 동일한 참조 부호로 표시되며, 아래에 상세히 기술하지는 않을 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 실시예의 톱링(501)은 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)의 외주면 상에 장착된 링형상의 측정판(502)을 구비한다. 상기 톱링(501)이 장착되는 마운트로서의 역할을 하는 톱링헤드는 상기 톱링(501)의 원주방향을 따라 각각의 두 위치에 배치된 변위센서(506)를 구비한다. 각각의 변위센서(506)는 그 하단부에 롤러(504)를 구비한다. 상기 변위센서(506)는 변위센서(506)로부터의 출력신호를 토대로, 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)의 리테이너링바디(409)의 기울기를 계산하기 위한 프로세서(508)에 전기적으로 연결된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 톱링(501) 및 폴리싱테이블(100)은 반도체웨이퍼를 폴리싱하기 위해 동일한 방향(예컨대, 시계방향)으로 회전한다. 폴리싱 공정 시, 각각의 변위센서(506)는 상기 롤러(504)까지의 거리를 검출할 수 있거나, 그렇지 않으면 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)의 높이를 정할 수 있다. 상기 톱링(501)이 회전하면, 상기 롤러(504)는 상기 측정판(502)의 상부면 상에서 롤링한다. 그러므로 상기 변위센서(506)는 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)의 높이를 검출할 수 있다. 상기 두 변위센서(506)는 2이상의 위치에서 상기 리테이너링(3)의 리테이너링부(412)의 높이를 검출할 수 있다. 상기 리테이너링바디(409)의 여하 한의 기울기는 상기 변위센서(506)에 의해 검출되는 리테이너링부(412)의 두 위치에서의 높이로부터 계산될 수 있다. 상기 프로세서(508)는 상기 두 변위센서(506)로부터의 출력 신호를 토대로 상기 리테이너링바디(409)의 기울기를 계산한다.
각각의 변위센서(506)로부터의 출력신호는 폴리싱패드(101)의 두께의 변동, 폴리싱테이블(100)의 흔들 움직임, 및 상기 리테이너링바디(409)의 두께의 변동을 나타내는 신호성분을 포함한다. 그러므로 상기 프로세서(506)는 그 이동평균을 결정하기 위해 각각의 변위센서(506)로부터의 출력신호를 처리하여야 하는 것이 바람직하다.
이렇게 리테이너링바디(409)의 기울기를 계산함으로써, 상기 프로세서(508)는 상기 톱링(501)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼가 상기 리테이너링바디(409)의 과도한 경사로 인해 상기 톱링(501)으로부터 미끄러져 나갈 수도 있다는 가능성을 예측할 수 있다. 그러므로, 상기 톱링(501)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼는 상기 예측된 가능성을 토대로 상기 톱링(501)에서 미끄러져 나가는 것이 방지될 수 있다. 구체적으로는, 리테이너링바디(409)의 계산된 기울기가 소정의 임계값을 초과한다면, 상기 프로세서(508)는 외부경보신호를 발생시키고, 폴리싱 공정을 인터럽트하기 위해 톱링(501) 및 폴리싱테이블(100)의 회전을 정지시키며, 및/또는 반도체웨이퍼를 폴리싱패드(101)에 대해 가압하도록 하중을 저감시키기 위한 소정의 폴리싱 상태로 변경하여, 상기 리테이너링바디(409)에 의해 가해지는 하중을 증가시키거나 또는 상기 반도체웨이퍼 및 폴리싱패드(101)의 회전속도를 증가시킨다. 이러한 실시예에 따르면, 상기 리테이너링바디(409)의 기울기는 단 하나의 위치에서보다는 2이상의 위치에서 검출되는 리테이너링부(412)의 높이로부터 결정되고, 미끄러져 나갈 가능성은 상기 리테이너링바디(409)의 결정된 기울기를 토대로 예측되거나 검출된다. 그러므로 상기 폴리싱패드(101)가 마모되더라도, 상기 반도체웨이퍼의 미끄러져 나갈 가능성이 정확하게 예측되거나 검출될 수 있다.
도 6에서, 변위센서(506)의 개수는, 점선으로 나타낸 바와 같이, 상기 톱링(501)의 원주방향으로 위치되어 도시되어 있다. 하지만, 상기 폴리싱장치는 상술된 바와 같이 2이상의 변위센서(506)를 구비할 수도 있다. 구체적으로, 제1변위센서(506a)는 폴리싱테이블(100)의 회전방향에 대해 톱링(501)의 상류에 위치되어야 하는 것이 바람직하고, 제2변위센서(506b)는 상기 폴리싱테이블(100)의 회전방향에 대해 톱링(501)의 하류에 위치되어야 하는 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2변위센서(506a, 506b)는 상기 톱링(501)을 가로질러 서로 직경방향으로 대향하여 배치된다. 상기 변위센서(506)는 상기 톱링(501) 위로 단 하나의 원주선 상에, 즉 동일한 반경으로 배치되어야 하는 것이 바람직하다. 하지만, 변위센서(506)의 위치들이 인식되어, 상기 변위센서(506)로부터의 출력 신호가 프로세서(508)에 의해 처리된다면, 상기 변위센서(506)가 상기 톱링(501) 위로 동일한 원주선 상에 반드시 배치되어야 할 필요는 없다. 도 6에서, 상기 리테이너링바디(409)의 기울기는 상기 톱링(1)이 장착되는 마운트에 대해 측정된다. 하지만, 상기 변위센서(506)는 폴리싱테이블(100) 상에 장착될 수도 있고, 상기 리테이너링바디(409)의 기울기는 상기 폴리싱테이블(100)에 대해 측정될 수도 있다. 상기 톱링(501)이 상기 톱링바디(2) 및 리테이너링(3)이 서로 일체형으로 결합된 타입이라면, 상기 톱링(501)의 높이는 그 상부면 상의 2이상의 위치에서 측정될 수도 있고, 상기 톱링(501)의 기울기는 전체로서 상기 반도체웨이퍼의 미끄러져 나갈 가능성을 예측하거나 검출하도록 상기 측정된 높이들을 토대로 결정될 수도 있다.
본 발명에 따른 기판홀딩장치에 합체된 폴리싱장치는, 기판이 미끄러져 나갈 가능성없이 기판홀딩장치에 의해 홀딩되면서 기판을 안정하게 폴리싱할 수 있다.
지금까지 본 발명의 소정의 바람직한 실시예들을 상세히 도시하고 기술하였지만, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서도 다양한 변경 및 수정예들이 가능하다는 것은 자명하다.
1 : 톱링 2 : 톱링바디
3 : 리테이너링 100 : 폴리싱테이블
101 : 폴리싱패드 314 : 탄성멤브레인
404 : 탄성멤브레인 409 : 리테이너링바디
411 : 리테이너링가압기구 412 : 리테이너링부
506 : 변위센서 508 : 프로세서

Claims (1)

  1. 리테이너링 가압기구에 사용되는 탄성 멤브레인으로서,
    제1 멤브레인부, 및
    휘어진 영역(curved region)을 형성함으로써, 리테이너 압력 챔버의 경계를 한정짓는 제2 멤브레인부를 포함하고,
    상기 탄성 멤브레인은 팽창 가능하고, 수축 가능(contractible)하여, 상기 리테이너 압력챔버로 공급될 유체의 압력을 조절함으로써, 리테이너링을 폴리싱 패드에 가압하도록 구성되는 탄성 멤브레인.
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