KR20160051288A - 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 연마면에 가압하면서 회전하는 캐리어 헤드로서, 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와; 상기 본체부와 함께 회전하고 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 멤브레인과; 상기 멤브레인의 둘레를 감싸는 링 형태로 배치되되, 원주 방향을 따라 다수로 분할된 형태이고, 반경 방향으로 이동 가능하게 설치된 리테이닝 블록을; 포함하여 구성되어, 리테이너 링에 의한 리바운드 변형의 위치를 조절하여 웨이퍼 가장자리 영역의 단위 시간당 연마량을 필요에 따라 조절할 수 있게 됨에 따라, 웨이퍼 가장자리에서의 연마 프로파일을 정확하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링에 의한 리바운드 변형에도 불구하고 웨이퍼 가장자리에서의 연마품질을 확보할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드 {CARRIER HEAD OF CHEMICAL MECHANICAL APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 웨이퍼의 타겟 연마프로파일에 맞추어 웨이퍼 가장자리 영역의 연마 패턴 및 단위 시간당 연마량을 조절할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드 및 이를 이용한 화학 기계적 연마 방법에 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 화학 기계적 연마 장치(9)의 개략 평면도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 장치(9)는 웨이퍼(W)를 저면에 위치시킨 상태에서 웨이퍼(W)를 가압하며 자전하는 캐리어 헤드(1)와, 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 회전(2d)하는 연마 패드(2)와, 연마 패드(2) 상에 슬러리를 공급하여 웨이퍼(W)에 도달한 슬러리에 의한 화학적 연마를 행하게 하는 슬러리 공급부(3)와, 연마 패드(2)의 표면을 개질하는 컨디셔너(4)로 이루어진다.
상기 캐리어 헤드(1)는 도3에 도시된 바와 같이 외부의 구동부에 의하여 회전 구동되는 본체부(10, 20)와, 본체부(10, 20) 중 베이스(20)에 고정되어 베이스(20)와의 사이에 다수의 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성하는 멤브레인(30)과, 웨이퍼(W)의 둘레에 링 형태로 배치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 저면이 연마 패드(2)를 가압하여 둘러싸고 있는 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하는 리테이너 링(40)과, 압력 챔버(C1, C2, C3)에 공압 공급로(55)를 통해 공압을 인가하거나 배출시키는 압력 제어부(50)로 이루어진다.
여기서, 멤브레인(30)은 웨이퍼(W)를 가압하는 바닥판과, 바닥판의 가장자리 끝단에 상측으로 연장된 측면과, 바닥판의 중심과 측면의 사이에 링 형태로 형성된 격벽(35)이 형성되며, 측면과 격벽(35)의 끝단(30a)이 베이스(20)에 고정되어, 멤브레인 바닥판과 베이스(20)의 사이에 다수의 분할된 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성한다.
그리고, 리테이너 링(40)은 구동부(M)에 의하여 상하로 이동(40d) 가능하게 설치된다. 구동부(M)는 전기를 구동원으로 사용하는 모터일 수도 있고, 공압이나 유압을 구동원으로 사용할 수도 있다. 리테이너 링(40)은 화학 기계적 연마 공정 중에 구동부(M)에 의하여 연마 패드(2) 상에서 소정의 힘(Pr)으로 가압된 상태로 유지된다.
이에 따라, 화학 기계적 연마 공정은 압력 제어부(50)로부터 공압이 압력 챔버(C1, C2, C3)에 공급되어 압력 챔버(C1, C2, C3)가 팽창하면서 멤브레인 바닥판에 의하여 웨이퍼를 연마 패드에 눌린 상태가 된다. 이와 동시에, 구동부(M)에 의하여 리테이너 링(40)은 하방 이동하여 웨이퍼(W)의 둘레에서 연마 패드를 가압함으로써 웨이퍼(W)가 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(1)의 바깥으로 이탈하는 것을 감지한다.
그러나, 도4에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 둘레에 배치된 리테이너 링(40)이 하방 이동(40d)하여 연마 패드(2)를 가압하면, 연마 패드(2)가 리테이너 링(40)의 저면(40a)에 의해 눌리는 영역(40x)에서 눌림 변형이 연마 패드(2)에 발생되고, 이로 인하여 눌림 변형이 생기는 주변이 되튀어오르는 리바운드 변형(99)이 발생된다. 그런데, 리테이너 링(40)과 웨이퍼(W)의 가장자리(e)는 서로 근접하게 배치되므로, 연마 패드(2)의 리바운드 변형(99)에 의하여 웨이퍼의 가장자리(e)는 되튀어오르는 연마 패드(2)의 돌출부에 보다 높은 가압력으로 밀착되므로, 도5에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 가장자리(e)에서의 연마량이 의도하지 않게 급격히 상승하는 문제가 있었다.
이에 따라, 웨이퍼(W)의 가장자리(e)에서의 연마량이 매우 높아져, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역이 반도체 소자의 제조에 사용되지 못하는 영역으로 남는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링에 의한 리바운드 변형에도 불구하고 웨이퍼 가장자리에서의 연마품질을 확보하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리테이너 링에 의한 리바운드 변형을 이용하여 웨이퍼 가장자리에서의 연마 프로파일을 정확하게 조절하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 웨이퍼의 타겟 연마프로파일에 맞추어 웨이퍼 가장자리 영역에서의 연마 패턴 및 단위 시간당 연마량을 조절하여, 웨이퍼 가장자리 영역에서 다양한 타겟 연마프로파일에 맞출 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 연마면에 가압하면서 회전하는 캐리어 헤드로서, 외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와; 상기 본체부와 함께 회전하고 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 멤브레인과; 상기 멤브레인의 둘레를 감싸는 링 형태로 배치되되, 원주 방향을 따라 다수로 분할된 형태이고, 반경 방향으로 이동 가능하게 설치된 리테이닝 블록을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.
이는, 리테이닝 블록이 반경 방향으로 이동 가능하게 구성되어, 화학 기계적 연마 공정의 준비과정이나 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼 가장자리에 근접하거나 멀리 이격된 위치에서 리테이닝 블록이 연마 패드에 접촉한 상태가 되도록 이동함으로써, 웨이퍼 가장자리에 영향을 미치는 리바운드 변형량을 조절함으로써, 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 조절하기 위함이다.
이를 통해, 본 발명은, 리테이너 링에 의한 리바운드 변형의 정도를 조절하여 웨이퍼 가장자리 영역의 단위 시간당 연마량을 필요에 따라 조절할 수 있게 됨에 따라, 웨이퍼 가장자리에서의 연마 프로파일을 정확하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링에 의한 리바운드 변형에도 불구하고 웨이퍼 가장자리에서의 연마품질을 확보할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼의 다양한 타겟 연마프로파일에 맞추어 웨이퍼 가장자리 영역에서의 연마 패턴 및 단위 시간당 연마량을 조절할 수 있게 되므로, 웨이퍼 가장자리 영역에서 다양한 타겟 연마프로파일에 정확히 맞출 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 상기와 같이 구성된 캐리어 헤드는 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전에 웨이퍼의 상태에 따라 리테이닝 블록의 위치를 조정하는 데에도 사용될 수 있지만, 화학 기계적 연마 공정을 진행하는 도중에 웨이퍼의 가장자리 영역의 연마 상태에 따라 실시간으로 리테이닝 블록의 위치를 조정하는 데 사용될 수도 있다.
즉, 상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 단위 시간당 연마량(Removal Rate)을 늘리고자 할 경우에는 상기 리테이닝 블록이 상기 멤브레인의 가장자리에 근접하는 방향으로 이동되며, 상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 단위 시간당 연마량(Removal Rate)을 줄이고자 할 경우에는 상기 리테이닝 블록이 상기 멤브레인의 가장자리로부터 멀어지는 방향으로 이동된다.
그리고, 종래와 같이 하나의 리테이너 링으로 형성된 경우에는 리테이너 링의 이동이 불가능하지만, 다수로 이루어진 상기 리테이닝 블록은 이동이 가능하다. 이 때, 상기 리테이닝 블록은 2개 이상으로 형성되어 원활한 이동 동작을 확보할 수 있다.
이 때, 상기 다수의 리테이닝 블록은 연동하여 이동해야만 하는 것은 아니지만, 동시에 반경 방향으로 일괄 이동 제어됨으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역에 리테이닝 블록의 가압에 의하여 미치는 영향을 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다.
상기 다수의 리테이닝 블록은 반경 방향으로 뻗은 가이드 축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 멤브레인의 측면은 상기 웨이퍼의 가장자리에 가압력을 전달하도록 구성된다. 이를 통해, 리테이닝 블록의 내측 모서리가 연마 패드와 접촉하여 연마 패드의 리바운드 변형에 의한 돌출부에 웨이퍼 가장자리가 접촉하는 동안에는 측면을 통해 전달하는 가압력을 낮추고, 리테이닝 블록의 외측 모서리가 연마 패드와 접촉하여 연마 패드의 리바운드 변형되지 않아 평탄한 연마 패드가 웨이퍼 가장자리와 접촉하는 동안에는 측면을 통해 전달하는 가압력을 높이는 것에 의하여, 웨이퍼 가장자리의 단위 시간당 연마량을 보다 미세하게 조절할 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼를 연마면에 가압하면서 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 화학 기계적 연마 방법으로서, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 연마 두께를 측정하는 단계와; 상기 웨이퍼의 가장자리에서의 연마량이 시간 경과에 따른 타겟 연마량과 차이가 있는 것으로 감지되면, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 다수의 리테이닝 블록을 반경 방향으로 이동시키는 리테이닝 블록 이동단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
즉, 웨이퍼의 연마층 두께를 광센서나 와전류 센서 등의 공지된 수단으로 실시간으로 측정한 후, 웨이퍼 가장자리에서의 리테이닝 블록의 위치를 조정하는 것에 의하여 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량(removal rate)를 조절하여, 웨이퍼의 가장자리에서의 타겟 프로파일을 정확하게 맞출 수 있다.
본 발명에 따르면, 리테이닝 블록이 반경 방향으로의 이동 변위를 조절할 수 있게 구성되어, 리테이닝 블록이 웨이퍼 가장자리에 인접하거나 멀리 이격된 위치의 범위 내에 위치하여, 화학 기계적 연마 공정 중에
리테이닝 블록의 내측 저면과 웨이퍼 가장자리와 멀리 떨어진 외측 저면 중 어느 하나가 연마 패드에 접촉한 상태가 되도록 이동각도를 조절하여 웨이퍼 가장자리의 단위 시간당 연마량에 영향을 미치는 리바운드 변형량을 제어함으로써, 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 조절할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명은, 리테이닝 블록에 의한 리바운드 변형의 정도를 조절하여 웨이퍼 가장자리 영역의 단위 시간당 연마량을 화학 기계적 연마 공정 중에도 필요에 따라 조절할 수 있게 됨에 따라, 웨이퍼 가장자리에서의 연마 프로파일을 정확하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링에 의한 리바운드 변형에도 불구하고 웨이퍼 가장자리에서의 연마품질을 확보할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 웨이퍼의 다양한 타겟 연마프로파일에 맞추어 웨이퍼 가장자리 영역에서의 연마 패턴 및 단위 시간당 연마량을 조절할 수 있게 되므로, 웨이퍼 가장자리 영역에서 다양한 타겟 연마프로파일에 정확히 맞출 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '반경 방향'이라는 용어는 중심으로부터 직선 형태로 멀어지는 방향 및 그 반대 방향에 국한되지 않으며, 중심으로부터 직선 형태로 멀어지는 방향 성분을 포함하거나 그 반대 방향 성분을 포함하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의하기로 한다.
도1은 일반적은 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도1의 캐리어 헤드의 구성을 개략적으로 도시한 횡단면도,
도4는 도3의 'A'부분의 확대도,
도5는 도1에 의한 웨이퍼의 연마 프로파일을 측정한 일례를 도시한 그래프,
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 횡단면도,
도7은 도6의 캐리어 헤드의 저면도,
도9a은 도7의 'C'부분에서 리테이닝 블록의 가이드 축의 단면 형태를 도시한 도면,
도5의 리테이닝 블록을 연동시키는 구성의 일례를 도시한 도면,
도a는 도5의 'B'부분의 확대도로서 리테이닝 블록의 내측 모서리가 연마 패드를 가압하는 구성을 도시한 도면,
도9b는 도5의 'B'부분의 확대도로서 리테이닝 블록의 외측 모서리가 연마 패드를 가압하는 구성을 도시한 도면,
도10은 웨이퍼의 반경 길이에 따른 타겟 프로파일의 분포를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100) 및 이를 이용한 화학 기계적 연마 방법을 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 전술한 종래 기술의 구성 및 작용과 유사한 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체부(10, 20)와, 본체부(10, 20) 중 베이스(20)에 고정되어 베이스(20)와의 사이에 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성하고 탄성 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(130)과, 멤브레인(130)의 둘레를 감싸게 배치되어 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(2)를 가압하여 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이닝 블록(140)과, 압력 챔버(C1, C2, C3) 및 멤브레인 측면(132) 상측에 형성된 가압 챔버(Cr)에 공압을 공급하거나 제거하는 압력 제어부(50)로 구성된다.
상기 멤브레인(130)은 웨이퍼(W)의 판면을 가압할 수 있도록 웨이퍼(W)의 판면에 대응하는 크기의 원판 형태로 형성된 바닥판(131)과, 바닥판(131)의 가장자리 끝단부로부터 상측으로 절곡되어 연장 형성된 측면(132)과, 바닥판(131)의 중심과 측면(132)의 사이에 본체부의 베이스(20)에 결합되는 다수의 링형태의 격벽(133)이 형성된다. 이에 따라, 멤브레인 바닥판(131)과 베이스(20)의 사이에는 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)가 형성된다.
그리고, 도9a에 도시된 바와 같이 멤브레인 측면(132)의 상측에는 반경 외측 방향으로 뻗은 고정 플랩(133a)과 반경 내측으로 뻗은 고정 플랩(133b)이 형성되어, 이들(133a, 133b)이 바닥면을 형성하는 가압 챔버(Cr)가 형성된다. 이 때, 멤브레인 측면(132)의 상측에 위치하는 가압 챔버(Cr)의 압력이 높아지면, 가압 챔버(Cr)의 바닥면을 통해 멤브레인 측면(132)을 타고 가압력(Fr)이 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에 도달하여 가압하게 된다. 특히, 가압 챔버(Cr)의 바닥면은 평탄면으로 형성됨에 따라, 가압 챔버(Cr)의 바닥면에 작용하는 힘이 그대로 멤브레인 측면(132)을 타고 웨이퍼(W)의 가장자리에 가압력(Fv)으로 인가되므로, 웨이퍼(W)의 가장자리에 보다 높은 크기의 가압력을 인가할 수 있는 장점이 얻어진다.
상기 리테이닝 블록(140)은 도7에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 형태로 배열되며, 원주 방향을 따라 적어도 3개 이상(도면에는 6개)으로 분할되어 구동 수단(M2)에 의하여 가이드 축(147)을 따라 반경 방향으로 이동(141d) 가능하다는 점에 특징이 있다.
한편, 본 명세서 및 특허청구범위에서 '다수의 리테이닝 블록(140)'의 구성은 리테이닝 블록 자체가 다수로 형성되는 것을 포함할 뿐만 아니라, 연마 패드와 접촉하는 면(본 실시예에서는 접촉 블록(141)의 저면을 지칭함)이 다수로 형성되는 것을 포함한다.
리테이닝 블록(140)은, 연마 패드(2)와 접촉하는 저면(140s)을 구비하고 원주 방향을 따라 다수로 분할된 접촉 블록(141)과, 다수의 접촉 블록(141)과 연결된 상태를 유지하면서 반경 방향으로의 변위(141d)를 허용하게 설치되며 본체부(10, 20)에 고정 설치된 고정 블록(142)과, 고정 블록(142)에 고정되어 고정 블록(142)에 대하여 반경 바깥으로 접촉 블록(141)의 이동을 안내하도록 연장 형성된 가이드 축(147)과, 고정 블록(142)과 접촉 블록(141)을 함께 상하 방향으로 이동시켜 접촉 블록(141)의 저면이 연마 패드(2)를 가압하게 구동하는 제1구동수단(M1)과, 고정 블록(142)에 대하여 접촉 블록(141)을 반경 방향으로 이동(141d)시켜 웨이퍼 가장자리로부터의 거리를 조절하는 제2구동수단(M2)으로 구성된다.
여기서, 접촉 블록(141)은 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 형태로 다수의 분리된 형태로 형성된다. 접촉 블록(141)은 연마 패드(2)를 가압하면서 조금씩 마모되므로 종래의 리테이너 링과 동일하거나 유사한 재질로 제작된다.
고정 블록(142)은 접촉 불록(141)과 마찬가지로 다수로 분리된 형태로 형성될 수도 있지만, 하나의 링형 부재로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1구동수단(M1)에 의하여 고정 블록(142)을 상하로 이동시키는 것에 의하여, 고정 블록(142)과 접촉 블록(141)이 함께 상하 이동된다. 여기서, 제1구동수단(M1)은 종래의 구동부(M)와 마찬가지로 전기 에너지를 구동원으로 사용하는 모터일 수도 있고, 공압이나 유압을 구동원으로 사용할 수도 있다. 이에 따라, 접촉 블록(141)의 저면(140s)은 연마 패드(2)를 가압(Pr)할 수 있게 된다.
그리고, 도8에 도시된 바와 같이 접촉 블록(141)은 고정 블록(142)에 대하여 가이드 축(147)에 의하여 연결되고, 제2구동수단(M2)은 접촉 블록(141)을 가이드 축(147)의 연장 방향을 따라 밀어내거나 이동시키며, 공지된 리니어 모터나 리드 스크류 등의 전기에너지를 이용하거나 공압 액츄에이터 등의 유공압 에너지를 이용하여 구현할 수 있다.
가이드 축(147)은 하나의 접촉 블록(141)에 대하여 2개 이상으로 연장 형성되어, 제2구동수단(M2)에 의하여 접촉 블록(141)이 고정 블록(142)에 대하여 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 이동(141d)하는 동작을 안내한다. 여기서, 가이드 축(147)은 접촉 블록(141)의 중앙부와 중심(O)까지의 연장선(88)과 평행한 방향으로 연장 형성되어, 리테이닝 블록의 접촉 블록(141)의 내주면이 웨이퍼 가장자리에 대하여 평균적으로 최소한의 편차를 갖고 이동할 수 있게 된다.
따라서, 가이드 축(147)은 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 연장되며, 2열 이상 배열되는 경우에는 반경 방향과 일치하는 방향으로 연장되지는 않을 수 있다.
다수의 접촉 블록(141)을 이동시키는 제2구동수단(M2)은 각각의 접촉 블록(141)에 대하여 개별 제어할 수도 있으며, 각각의 접촉 블록(141)에 대하여 순차적으로 마다 설치되어 가이드 축(147)에 의해 하나씩 행해질 수도 있지만, 동일한 제어 신호에 의하여 다수의 접촉 블록(141)이 동시에 일괄 이동(141d)하도록 작동됨으로써, 웨이퍼의 가장자리 영역에 리테이닝 블록(140)의 가압에 의하여 미치는 영향을 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다.
이와 같이 구성된 리테이닝 블록(140)을 이용하여, 웨이퍼(W)의 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 늘리고자 할 경우에는, 도9a에 도시된 바와 같이, 가이드 축(147)를 따라 접촉 블록(141)을 웨이퍼 가장자리를 향하여 이동(141d1)시켜, 리테이닝 블록(140)과 웨이퍼 가장자리까지의 거리(z1)를 짧게 조절한다. 이에 따라, 리테이닝 블록(140)에 의하여 가압되는 연마 패드(2)에 눌림 변형이 생기면서, 그 주변으로 돌출되는 리바운드 변형(99i, 99e)이 발생되어, 웨이퍼 가장자리는 연마 패드(2)의 접촉면이 밀착되지 않고 돌출된 연마패드의 일부와 접촉한 상태가 된다. 따라서, 웨이퍼 가장자리에서는 리테이닝 블록(140)의 내측(웨이퍼를 향하는 방향)에 돌출되는 리바운드 변형(99i)이 생기면서 웨이퍼의 저면을 상방으로 들어올려, 웨이퍼 가장자리에서 보다 높은 가압력이 작용하게 되어 단위 시간 당 연마량을 증가시킬 수 있다.
이와 유사하게, 이와 같이 구성된 리테이닝 블록(140)을 이용하여, 웨이퍼(W)의 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 줄이고자 할 경우에는, 도9b에 도시된 바와 같이 가이드 축(147)을 따라 접촉 블록(141)을 웨이퍼 가장자리로부터 멀리 이동(141d2)시켜, 리테이닝 블록(140)과 웨이퍼 가장자리까지의 거리(z2)의 외측 모서리(140e)가 연마 패드(2)와 접촉하게 하여 연마 패드(2)를 가압하는 가압 위치와 웨이퍼 가장자리까지의 거리(z2)를 길게 조절한다. 이에 따라, 연마 패드(2)에는 리테이닝 블록(140)의 접촉 블록(141)의 외측 모서리(140e)에 의해 가압되어 눌림 변형이 생기면서, 그 주변으로 되튀어 돌출되는 리바운드 변형(99)이 발생되지만, 리바운드 변형(99)은 연마 패드(2)의 가압 위치와 웨이퍼 가장자리까지의 충분히 긴 거리(z2) 내부에 생기므로, 웨이퍼 가장자리와 연마 패드(2)의 접촉면은 서로 밀착된 상태가 된다. 따라서, 멤브레인 바닥판(131)이나 측면(132)을 통해 가압력이 웨이퍼(W)의 가장자리에 인가되면, 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간 당 연마량을 정상적인 값으로 유지하여 작게 할 수 있다.
이에 더하여, 멤브레인 측면에 인가되는 가압력(Fv)의 크기를 조절하거나, 리테이닝 블록(140)의 이동 각도를 조절하는 것에 의하여, 웨이퍼 가장자리 영역의 단위 시간당 연마량을 미세하게 조절할 수도 있다.
상기와 같은 구성을 이용하여 화학 기계적 연마 방법에 활용될 수 있다. 즉, 도10에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 반경 방향에 따른 타겟연마프로파일이 다양하게 설정될 수 있는데, 먼저 웨이퍼의 반경 방향으로의 연마 두께를 공지된 다양한 방법으로 측정한 이후에, 웨이퍼의 가장자리(e)에서의 연마량이 시간 경과에 따른 타겟 연마량과 차이가 있는 것으로 감지되면, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 다수의 리테이닝 블록(140)의 접촉 블록(141)을 연마 패드(2)에 대하여 가이드 축(147)을 따라로 이동시키는 것에 의하여, 웨이퍼 가장자리(e)의 단위 시간당 연마량을 조절하여 타겟 연마프로파일에 도달하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량(Removal Rate)이 시간 경과에 따른 타겟 연마량에 비하여 더 큰 것으로 감지되면, 리테이닝 블록(140)을 반경 바깥 방향으로 이동시켜, 연마 패드(2)를 가압하는 리테이닝 블록(140)의 위치를 웨이퍼 가장자리로부터 멀리 떨어뜨림으로써, 단위 시간당 연마량을 정상시보다 보다 더 낮출수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 멤브레인 측면을 통한 가압력을 낮추는 것을 병행할 수도 있다.
이와 유사하게, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량(Removal Rate)이 시간 경과에 따른 타겟 연마량에 비하여 더 작은 것으로 감지되면, 리테이닝 블록(140)을 반경 내측 방향으로 이동시켜, 연마 패드(2)를 가압하는 리테이닝 블록(140)의 위치를 웨이퍼 가장자리에 근접시킴으로써, 리테이닝 블록(140)에 의한 연마 패드(2)의 눌림 변형에 따른 리바운드 변형(99i)이 웨이퍼 가장자리를 들어올려 보다 높은 가압력(Fv)으로 가압되게 함으로써, 단위 시간당 연마량을 정상시보다 보다 더 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 멤브레인 측면을 통한 가압력을 높이는 것을 병행할 수도 있다.
이를 통해, 웨이퍼 가장자리에서의 타겟 연마프로파일이 도10에 도시된 바와 같이 다양한 형태(e0, e1, e2)로 형성되더라도, 웨이퍼 가장자리에서의 연마패드(2)의 리바운드 돌출 변형(99)의 위치를 조절하는 것에 의하여, 웨이퍼 가장자리와 연마 패드(2) 간의 밀착 접촉 상태를 제어하고, 동시에 멤브레인 측면(132)을 통해 높은 가압력(Fv)을 인가하는 것을 종합적으로 제어함으로써, 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 정교하게 제어하여, 웨이퍼의 가장자리에서의 타겟 프로파일에 맞게 연마할 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: 압력 챔버
2: 연마 패드 100: 캐리어 헤드
130: 멤브레인 131: 멤브레인 바닥판
132: 멤브레인 측면 Cx: 가압 챔버
Fv : 가압력 140: 리테이닝 블록
141: 접촉 블록 142: 고정 블록
147: 가이드 축 M1: 제1구동수단
M2: 제2구동수단

Claims (10)

  1. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 연마면에 가압하면서 회전하는 캐리어 헤드로서,
    외부로부터 회전 구동력을 인가받아 회전하는 본체부와;
    상기 본체부와 함께 회전하고 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면을 형성하는 멤브레인과;
    상기 멤브레인의 둘레를 감싸는 링 형태로 배치되되, 원주 방향을 따라 다수로 분할된 형태이고, 반경 방향 성분을 포함하는 방향으로 이동 가능하게 설치된 리테이닝 블록을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 단위 시간당 연마량(Removal Rate)을 늘리고자 할 경우에는 상기 리테이닝 블록이 상기 멤브레인의 가장자리에 근접하는 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 단위 시간당 연마량(Removal Rate)을 줄이고자 할 경우에는 상기 리테이닝 블록이 상기 멤브레인의 가장자리로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리테이닝 블록은 3개 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 리테이닝 블록은 일괄적으로 반경 방향 성분을 포함하는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 리테이닝 블록은 반경 방향으로 뻗은 가이드 축을 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 측면은 상기 웨이퍼의 가장자리에 가압력을 전달하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
  8. 웨이퍼를 연마면에 가압하면서 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 연마 두께를 측정하는 단계와;
    상기 웨이퍼의 가장자리에서의 연마량이 시간 경과에 따른 타겟 연마량과 차이가 있는 것으로 감지되면, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 둘레를 감싸는 다수의 리테이닝 블록을 반경 방향으로 이동시키는 리테이닝 블록 이동단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량(Removal Rate)이 시간 경과에 따른 타겟 연마량에 비하여 더 작은 것으로 감지되면, 상기 리테이닝 블록을 반경 내측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량(Removal Rate)이 시간 경과에 따른 타겟 연마량에 비하여 더 큰 것으로 감지되면, 상기 리테이닝 블록을 반경 외측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
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KR101395380B1 (ko) * 2013-04-18 2014-05-16 주식회사 케이씨텍 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 멤브레인

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