KR20150103797A - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 원형상으로 형성된 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 링 형태로 돌출되게 다수 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서, 상기 다수의 고정 플랩의 사이 간격은, 상기 고정 플랩을 경계로 형성되는 상기 압력 챔버의 바닥면 면적의 편차가 10% 이내가 되도록 정해져, 고정 플랩에 의하여 다수로 분할된 압력 챔버의 단면적의 편차를 줄임으로써, 압축기가 하나인 압력 공급부로부터 압력이 공급되더라도, 다수의 압력 챔버에 의하여 웨이퍼를 가압하는 가압력의 편차가 작아지므로, 각각의 압력 챔버에 의하여 웨이퍼를 균일하게 가압하여 정교한 연마 두께를 조절할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인{MEMBRANE IN CARRIER HEAD}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것으로, 상세하게는 캐리어 헤드의 다수의 압력 챔버에 도입되는 압력의 편차를 줄이면서도 웨이퍼의 균일한 연마를 가능하게 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인에 관한 것이다.

화학기계적 연마(CMP) 장치는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.

이러한 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드는 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.

도1은 캐리어 헤드(1)의 개략도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(1)는, 회전 구동력을 전달받는 토크 전달부(110)와, 토크 전달부(110)와 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)를 둘러싸는 링 형태로 장착되어 베이스(120)와 함께 회전하는 리테이너링(130)과, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사잇 공간에 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 탄성 재질의 멤브레인(140)과, 공압 공급로(155)을 통해 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)로 공기를 넣거나 빼면서 압력을 조절하는 압력 공급부(150)로 구성된다. 여기서, 토크 전달부(110)와 베이스(120)는 함께 회전하며 본체부를 형성한다.

탄성 재질의 멤브레인(140)은 웨이퍼(W)를 가압하는 평탄한 바닥판(141)의 가장자리 끝단에 측면(142)이 절곡 형성된다. 멤브레인(140)의 중앙부 끝단(140a)은 베이스(120)에 고정되어 웨이퍼(W)를 직접 흡입하는 흡입공(77)이 형성된다. 멤브레인(140)의 중앙부에 흡입공이 형성되지 않고 웨이퍼(W)를 가압하는 면으로 형성될 수도 있다. 멤브레인(140)의 중심으로부터 측면(142)의 사이에는 베이스(120)에 고정되는 링 형태의 플랩(flap, 143)이 다수 형성되어, 플랩(143)을 기준으로 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 동심원 형태로 배열된다. 이를 위하여, 플랩(143)은 바닥판(141)의 판면으로부터 상방으로 연장 형성된 상향 구간(143a)와, 상향 구간(143a)의 상단부로부터 절곡부(143c)를 거쳐 횡방향으로 연장 형성된 연장 구간(143b)로 형성된다.

상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드(1)는 공압 공급로(155)를 통해 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 압력이 독립적으로 제어되어 유입되면, 도2에 도시된 바와 같이 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력(...,P2, P3,...)이 증가하면서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 감싸는 멤브레인이 팽창하면서 바닥판(141)을 하방으로 누르면서, 바닥판(141) 아래에 위치한 웨이퍼(W)를 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하게 된다.

그러나, 종래의 멤브레인(140)은 도2에 도시된 바와 같이 고정 플랩(143)이 반경 방향을 따라 R1, R2, R3, R4, R5의 간격을 두고 배치되는 데, 고정 플랩(143)에 의하여 경계가 정해지는 면적(E1, E2, E3, E4, E5)의 편차가 커서, 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 공급해야 하는 압력의 편차가 클 수 밖에 없었다.

예를 들어, 종래의 고정 플랩(143)의 간격 및 고정 플랩(143)에 의해 형성되는 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 바닥면 면적은 다음 표와 같다.

	고정플랩의 사이 간격(mm)	압력챔버별 바닥면 면적(mm2)	제1압력챔버와의 면적비
제1압력챔버(C1)	40 (R1)	5027 (E1)	1.0
제2압력챔버(C2)	32 (R2)	11259 (E2)	1.98
제3압력챔버(C3)	36 (R3)	20358 (E3)	3.58
제4압력챔버(C4)	32 (R4)	24932 (E4)	4.38
제5압력챔버(C5)	9 (R5)	8171 (E5)	1.44

위 표1에 나타난 바와 고정 플랩(143) 사이의 간격(R1, R2, R3, R4, R5)이 분포할 경우에, 압력 챔버별 바닥면의 면적을 중앙부에 위치한 제1압력챔버의 면적과 대비하면, 제4압력챔버(C4)는 제1압력챔버(C1)에 비하여 4.38배나 더 큰 결과가 야기된다. 더욱이, 웨이퍼(W)와 마찰 접촉하는 연마 패드의 회전 속도와 웨이퍼의 자전 속도는 웨이퍼(W)의 반경 방향으로 일정하므로, 압력 챔버(C1, C2,...)별 면적의 편차는 각 압력 챔버(C1, C2,...)에 도입되는 압력값을 편차만큼 더 공급해야 한다는 것을 의미한다.

그런데, 하나의 압력 공급부(150)로부터 다수의 압력 챔버(C1, C2,...)에 공급되는 압력의 편차가 클 경우에는 정교하게 공급 압력을 제어하는 것이 기계적으로 매우 까다롭다. 따라서, 2개 이상의 압력 공급부(150)로부터 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 압력을 공급하여 장치가 비대해질 수 밖에 없는 문제를 안거나, 압력 챔버(C1, C2, C3,...) 내의 압력을 정교하게 조절하지 못하여 웨이퍼의 연마 품질을 다소 낮춰야 하는 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 캐리어 헤드의 다수의 압력 챔버의 단면적 편차를 줄이는 것에 의하여, 하나의 압력 공급부로부터 다수의 압력 챔버에 균일한 압력을 공급하더라도, 각각의 압력 챔버에서 웨이퍼를 가압하는 힘을 균일하게 유지하여, 웨이퍼의 균일한 연마를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 웨이퍼의 전체 표면의 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 원형상으로 형성된 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 링 형태로 돌출되게 다수 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서, 상기 다수의 고정 플랩의 사이 간격은, 상기 고정 플랩을 경계로 형성되는 상기 압력 챔버의 바닥면 면적의 편차가 10% 이내가 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인을 제공한다.

이는, 원형 바닥판을 링 형태의 고정 플랩에 의하여 분할하여 다수의 압력 챔버를 형성하는 경우에는, 각각의 압력 챔버가 차지하는 단면적이 거의 일정하게 정해짐으로써, 압축기가 하나인 압력 공급부로부터 공압이 균일하게 공급되더라도, 다수의 압력 챔버에 의하여 웨이퍼를 가압하는 가압력의 크기가 일정해지므로, 웨이퍼의 균일한 연마를 가능하게 하는 유리한 효과를 얻기 위함이다.

더욱이, 일반적으로 캐리어 헤드의 압력 챔버에 도입되는 공압은 하나의 압축기로 이루어진 압력 공급부로부터 공압이 공급됨에 따라, 압력 챔버 별로 도입되는 공압의 편차가 10% 이내로 작게 유지되는 데, 종래와 달리 압력 챔버의 단면적의 편차를 10% 이내로 줄임으로써, 웨이퍼를 가압하는 가압력이 압력 챔버의 영역별로 편차가 발생되었던 문제점을 근본적으로 해소할 수 있으며, 각각의 압력 챔버에서 웨이퍼를 가압하는 힘을 정교하고 균일하게 유지하여, 웨이퍼의 균일한 연마를 가능하게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

역으로, 이와 같이 압력 챔버의 바닥면 면적의 편차를 줄임으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 가압하는 가압력을 균일하게 하기 위하여, 압력 공급부로부터 압력 챔버들에 각각 공급해야 하는 공압의 차이가 줄어들게 되어, 압력 공급부의 구성을 단순한 상태(즉, 압축기가 하나로 유지되는 상태)를 유지할 수 있다.

보다 바람직하게는, 압력 챔버가 차지하는 바닥면의 단면적이 모두 동일하게 정해지는 것이 좋다. 이를 통해, 압력 공급부로부터 다수의 압력 챔버에 모두 동일한 공압을 공급하더라도, 압력 챔버들의 바닥면 면적이 동일하므로 웨이퍼를 가압하는 가압력을 전체에 걸쳐 균일하게 유지할 수 있다. 이를 통해, 웨이퍼의 연마두께를 보다 정교하게 조절하는 것이 가능해진다.

한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 바닥판의 중앙부에는 웨이퍼를 직접 흡입하는 관통공이 형성될 수도 있고, 형성되지 않을 수도 있다.

본 발명은, 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와; 상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부의 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 전술한 멤브레인을; 포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 제공한다.

이 때, 상기 압력 챔버에 공급하는 압력 공급부는 하나로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 각각의 압력 챔버가 차지하는 단면적의 편차가 10% 이내가 되도록 정해져, 고정 플랩에 의하여 다수로 분할된 압력 챔버의 단면적의 편차를 줄임으로써, 압축기가 하나인 압력 공급부로부터 공압이 공급되어 압력 챔버마다 유사한 크기의 공압으로만 공급할 수 밖에 없더라도, 다수의 압력 챔버에 의하여 웨이퍼를 가압하는 가압력의 편차가 작아지므로, 각각의 압력 챔버에 의하여 웨이퍼를 균일하게 가압하여 정교한 연마 두께를 조절할 수 있게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은 멤브레인의 고정 플랩에 의하여 다수로 분할된 압력 챔버의 단면적 편차를 작게 구성하거나 동일하게 구성함으로써, 하나의 압축기를 구비한 압력 공급기에 의해서도 다수의 분할된 압력 챔버의 목표 압력값을 정확하게 제어할 수 있게 되므로, 웨이퍼의 연마두께 제어를 보다 정확하게 행할 수 있게 되는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 일반적인 캐리어 헤드를 보인 단면도,
도2는 도1의 캐리어 헤드에 장착된 종래의 멤브레인을 도시한 반단면도,
도3은 도2의 멤브레인의 저면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드용 멤브레인의 반단면도,
도5는 도4의 멤브레인의 저면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 사용되는 멤브레인(200)과 이를 구비한 캐리어 헤드를 상술한다. 본 발명의 일 실시예는 도1에 도시된 종래의 구성(140; 1)과 대비할 때 고정 플랩(230)의 위치에 차이가 있다. (본 발명에 따른 캐리어 헤드 및 멤브레인은 도면에 도시된 반단면도의 중심선을 기준으로 회전시킨 형상이다.)

본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드는 종래의 캐리어 헤드(1)와 마찬가지로 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 토크 전달부(110)와, 토크 전달부(110)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(120)와, 베이스(120)에 고정되어 베이스(120)와의 사이에 압력 챔버(...,C4, C5)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(200)과, 압력 챔버(...,C4, C5)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 공급부(150)로 구성된다.

여기서, 토크 전달부(110)와 베이스(120)는 함께 회전하며 본체부를 형성한다.

상기 멤브레인(200)은 원 형태로 형성된 바닥판(210)과, 바닥판(210)의 가장자리 끝단으로부터 절곡되어 상측으로 연장 형성된 측면(220)과, 바닥판(210)의 중심과 측면(220)의 사이에 본체부의 베이스(120)에 결합되는 다수의 링형태의 고정 플랩(230)이 형성된다.

도4에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 고정 플랩(230)은 바닥판(210)으로부터 링 형태로 연장되어, 끝단이 결합 부재(122)에 의해 베이스(120)에 고정된다. 이에 따라, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 멤브레인(200)의 고정 플랩(230)을 경계로 분할되어 링 형태의 다수의 분할 챔버로 형성된다.

그리고, 다수의 분할 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에는 압력 공급부(150)로부터의 공압 공급로(155)를 통해 정압이나 부압이 인가되어, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 압력이 조절된다.

여기서, 바닥판(210)에 동심을 이루면서 다수의 링 형태로 연장 형성되는 고정 플랩(230) 사이의 간격(L1, L2, L3, L4, L5)은, 각각의 압력 챔버(C1, C2,...,C5)의 단면적의 편차가 10% 이하로 되도록 정해진다. 예를 들어, 표2에 나타난 바와 같이 고정 플랩(230) 사이의 간격(L1, L2, L3, L4, L5)이 정해질 수 있다.

	고정플랩의 사이 간격(mm)	압력챔버별 바닥면 면적(mm2)	제1압력챔버와의 면적비
제1압력챔버(C1)	66 (L1)	13685 (A1)	1.0
제2압력챔버(C2)	27 (L2)	13487 (A2)	0.99
제3압력챔버(C3)	21.4 (L3)	13944 (A3)	1.02
제4압력챔버(C4)	18.5 (L4)	14373 (A4)	1.05
제5압력챔버(C5)	15 (L5)	13232 (A5)	0.97

위 표2에는 제1압력챔버(C1)의 단면적(A1)에 대하여 나머지 압력 챔버들(C2, C3, C4, C5)의 단면적(A2, A3, A4, A5)의 비가 0.97~1.05로 5% 편차 이내에 속한다. 따라서, 압력 공급부(150)로부터 다수의 압력 챔버(C1, C2,...)에 동일한 크기의 압력이 인가되더라도, 압력 챔버(C1, C2,...)에 의하여 바닥판(210)을 통해 웨이퍼(W)를 가압하는 힘의 편차는 단면적의 편차인 5% 이내로 제한된다.

즉, 바닥판(210)에 동심을 이루면서 다수의 링 형태로 연장 형성되는 고정 플랩(230) 사이의 간격(L1, L2, L3, L4, L5)은, 고정 플랩(230)에 의하여 분할되는 다수의 압력 챔버(C1, C2,...)의 단면적(A1, A2, A3...)의 편차를 최소화하게 배열되며, 바람직하게는 압력 챔버들(C1, C2, ...)의 단면적(A1, A2, A3,...)이 적어도 10% 이하의 편차를 가지며, 보다 바람직하게는 압력 챔버들(C1, C2, ...)의 단면적(A1, A2, A3,...)이 모두 동일해지도록 고정 플랩(230)의 위치가 정해진다.

압력 챔버들(C1, C2, ...)의 단면적(A1, A2, A3,...)이 모두 동일한 경우에는, 압력 공급부(150)로부터 동일한 압력이 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 공급되더라도, 바닥판(210)을 통해 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력을 영역에 관계없이 동일하게 유지시킬 수 있다.

이와 같이, 각각의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)가 차지하는 단면적(A1, A2, A3, A4, A5)의 편차를 줄임으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력을 일정하게 제어하기 위하여 각 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 인가되는 압력의 제어가 용이해진다. 즉, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 동일한 압력을 인가하더라도 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력의 편차는 단면적의 편차 범위 내에 있게 되므로, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 의하여 웨이퍼를 가압하는 가압력을 보다 정교하게 조절할 수 있게 된다.

따라서, 화학 기계적 연마 공정 중에 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에서 공급되는 타겟 압력의 편차가 서로 작으므로, 1개의 압축기로 제어되는 압력 공급부(150)에 의해서도, 압력 챔버(C1, C2, C3,...)에 정확한 타겟 압력을 공급하여, 각 압력 챔버에서의 웨이퍼를 가압하는 가압력을 일정하게 제어하는 것이 훨씬 용이해진다.

한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '압력 챔버'에는 웨이퍼에 직접 정압이나 부압을 인가하는 관통공은 포함되지 않는 것으로 정의하기로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인은 중심부 또는 그 밖의 위치에 웨이퍼에 직접 흡입압을 인가하는 관통공(77)이 형성된 것과, 중심부 또는 그 밖의 위치에 웨이퍼에 직접 흡입압을 인가하는 관통공(77)이 형성되지 않는 것을 모두 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인(200)은 고정 플랩(230)의 사이 간격(L1, L2, L3, L4, L5)이 다수로 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)의 단면적(A1, A2, A3, A4, A5)의 편차를 10% 이내가 되도록 정해짐으로써, 분할된 압력 챔버들(C1, C2,...,C5)의 작은 단면적 편차에 해당하는 만큼 압력 공급부(150)로부터 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 공급하는 타겟 압력(제어하고자 하는 목표 압력값)의 편차가 작아지게 되어, 하나의 압축기로 이루어진 압력 공급부(150)에 의해서도 화학 기계적 연마 공정 중에 멤브레인(200)의 원형 바닥판(210)을 통해 가압하는 가압력을 균일하게 웨이퍼에 가할 수 있으므로, 웨이퍼의 균일한 연마를 보다 쉽고 정확하게 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

W: 웨이퍼
C1, C2, C3, C4, C5: 압력 챔버
L1, L2, L3, L4, L5: 고정 플랩의 간격
A1, A2, A3, A4, A5: 압력 챔버의 단면적
110: 토크 전달부 120: 베이스
122: 결합 부재 130: 리테이너 링
200: 멤브레인 210: 바닥판
220: 측면 230: 고정 플랩

Claims (5)

1. 원 형상으로 형성된 바닥판과, 상기 바닥판의 가장 자리에 절곡 형성된 측면과, 상기 측면의 내측에 압력 챔버를 다수로 분할하도록 상기 바닥판으로부터 링 형태로 돌출되게 다수 연장되어 본체부에 고정되는 고정 플랩을 포함하고 가요성 재질로 이루어진 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인에 있어서,
   상기 다수의 고정 플랩의 사이 간격은, 상기 고정 플랩을 경계로 형성되는 상기 압력 챔버의 바닥면 면적의 편차가 10% 이내가 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 바닥판의 중앙부에는 웨이퍼를 직접 흡입하는 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 압력 챔버의 바닥면 면적은 모두 동일한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 멤브레인.
   
4. 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와;
   상기 본체부에 위치 고정되어 상기 본체부와 함께 회전하고, 상기 본체부의 베이스와의 사이에 압력 챔버가 형성되어 상기 압력 챔버의 압력 제어에 의해 화학 기계적 연마 공정 중에 저면에 위치한 웨이퍼를 하방으로 가압하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인을;
   포함하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 다수로 분할된 상기 압력 챔버에는 하나의 압력 공급부로부터 공압을 공급받는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드.
   
   
   

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