KR20170032325A - 화학적 기계적 연마를 위한 방법, 시스템, 및 연마 패드 - Google Patents

화학적 기계적 연마를 위한 방법, 시스템, 및 연마 패드 Download PDF

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Abstract

화학적 기계적 연마는, 기판의 전면 표면의 제한된 영역 상에서 연마가 수행되는 "터치-업 연마"를 위해 사용될 수 있다. 연마 패드와 기판 간의 접촉 영역은, 기판의 반경 표면보다 실질적으로 더 작을 수 있다. 연마 동안, 연마 패드는 궤도 모션을 겪을 수 있다. 연마 패드는, 궤도 모션 동안, 고정된 각 배향으로 유지될 수 있다. 접촉 영역은 아크 형상일 수 있다. 접촉 영역은, 연마 패드의 상부 부분으로부터 하향으로 돌출되는 하나 또는 그 초과의 하부 부분들에 의해 제공될 수 있다. 연마 패드의 둘레 부분은 환형 부재에 수직적으로 고정되고, 연마 패드 중 둘레 부분 내의 나머지 연마 패드는 수직적으로 자유로울 수 있다.

Description

화학적 기계적 연마를 위한 방법, 시스템, 및 연마 패드{METHOD, SYSTEM AND POLISHING PAD FOR CHEMICAL MECHANCAL POLISHING}
본 개시내용은 화학적 기계적 연마(CMP; chemical mechanical polishing) 시스템의 아키텍쳐에 관한 것이다.
집적 회로들은 통상적으로, 실리콘 웨이퍼 상에서의 전도성 층, 반도체 층, 또는 절연성 층의 순차적 증착에 의해 기판 상에 형성된다. 일 제조 단계는, 비-평면 표면 위에 충진 층(filler layer)을 증착하는 단계, 및 충진 층을 평탄화시키는 단계를 수반한다. 특정 애플리케이션들의 경우, 충진 층은, 패터닝(pattern)된 층의 최상부 표면(top surface)이 노출될 때까지 평탄화된다. 전도성 충진 층은, 예를 들어, 패터닝된 절연성 층 상에 증착되어 절연성 층에서의 트렌치(trench)들 또는 홀(hole)들을 충진시킬 수 있다. 평탄화 이후, 절연성 층의 상승된(raised) 패턴 간에 남아있는 금속 층의 부분들은, 기판 상의 박막 회로들 간에 전도성 경로들을 제공하는 비아(via)들, 플러그들, 및 라인들을 형성한다. 산화물 연마와 같은 다른 애플리케이션들의 경우, 충진 층은, 비-평면 표면에 걸쳐 미리결정된 두께가 남을 때까지 평탄화된다. 부가하여, 기판 표면의 평탄화는 일반적으로, 포토리소그래피(photolithography)에 대해 요구된다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 용인된 일 평탄화 방법이다. 이러한 평탄화 방법은 통상적으로, 기판이 캐리어(carrier) 또는 연마 헤드(head) 상에 탑재될 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 통상적으로, 회전 연마 패드에 대하여 배치된다. 캐리어 헤드는, 기판 상에 제어가능한 로드(load)를 제공하여 기판을 연마 패드에 대하여 푸시(push)한다. 연마용(abrasive) 연마 슬러리(slurry)는 통상적으로 연마 패드의 표면에 공급된다.
본 개시내용은, 기판들의 연마, 예컨대 기판의 전면(front) 표면의 제한된 영역 상에서 연마가 수행되는 "터치-업(touch-up) 연마"를 위한 시스템들 및 장치를 제공한다.
일 양상에서, 화학적 기계적 연마 시스템은, 기판 지지부, 이동식(movable) 패드 지지부, 및 드라이브(drive) 시스템을 포함한다. 기판 지지부는, 연마 동작 동안 기판을 실질적으로 고정된 각 배향으로 홀딩(hold)하도록 구성된다. 이동식 패드 지지부는, 기판의 반경보다 크지 않은 직경을 갖는 연마 패드를 홀딩하도록 구성된다. 드라이브 시스템은, 연마 패드가 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안, 패드 지지부 및 연마 패드를 궤도 모션(orbital motion)으로 이동시키도록 구성된다. 궤도 모션은, 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖고, 연마 패드를 기판에 관해 고정된 각 배향으로 유지한다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 연마 패드는, 기판에 접촉하기 위한 접촉 영역을 가질 수 있다. 접촉 영역의 직경은, 기판 직경의 약 1 내지 10 %일 수 있다. 궤도의 반경은, 접촉 영역의 직경의 약 5 내지 50 %일 수 있다. 드라이브 시스템은, 패드 지지부 헤드의 리세스(recess), 리세스 내로 연장되는 회전가능 캠(cam), 및 캠에 대한 모터를 포함할 수 있다. 링키지(Linkage)들은, 패드 지지부 헤드를 고정된 지지부에 커플링시켜 패드 지지부 헤드의 회전을 방지할 수 있다. 포지셔닝(positioning) 드라이브 시스템은, 패드 지지부 헤드를 기판에 걸쳐 측방향으로(laterally) 이동시킬 수 있다. 포지셔닝 드라이브 시스템은, 패드 지지부 헤드를 2개의 수직 방향들로 이동시키도록 구성되는 2개의 선형 액추에이터(actuator)들을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 화학적 기계적 연마 시스템은, 기판 지지부, 연마 패드, 이동식 패드 지지부, 및 드라이브 시스템을 포함한다. 기판 지지부는, 연마 동작 동안 기판을 실질적으로 고정된 각 배향으로 홀딩하도록 구성된다. 연마 패드는 기판에 접촉하기 위한 접촉 영역을 가지며, 접촉 영역은, 기판의 반경보다 크지 않은 직경을 갖는다. 이동식 패드 지지부는, 연마 패드를 홀딩하도록 구성된다. 드라이브 시스템은, 연마 패드의 접촉 영역이 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안, 패드 지지부 및 연마 패드를 궤도 모션으로 이동시키도록 구성된다. 궤도 모션은, 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖고, 연마 패드를 기판에 관해 고정된 각 배향으로 유지한다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 연마 패드는 층으로부터의 돌기(protrusion)를 포함할 수 있고, 돌기의 최하부 표면(bottom surface)은 접촉 영역을 제공할 수 있다. 감압성 접착제(pressure sensitive adhesive) 또는 클램프(clamp) 중 적어도 하나가 패드 지지부 상에 연마 패드를 홀딩할 수 있다. 접촉 영역은 디스크 형상(disk-shaped) 또는 아크 형상(arc-shaped)일 수 있다.
다른 양상에서, 화학적 기계적 연마 방법은, 연마 패드를 기판의 반경보다 크지 않은 직경을 갖는 접촉 영역에서 기판과 접촉시키는 단계, 및 연마 패드의 접촉 영역이 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안 연마 패드와 기판 간에 상대적 모션(relative motion)을 생성하는 단계를 포함한다. 상대적 모션은, 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖는 궤도 모션을 포함한다. 연마 패드는, 궤도 모션 동안 기판에 관해 실질적으로 고정된 각 배향으로 유지된다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 기판은, 궤도 모션 동안, 고정된 측방향 포지션에 홀딩될 수 있다. 연마 패드는, 궤도 모션의 순간 속도의 약 5%보다 크지 않은 속도로 궤도 모션 동안 기판에 걸쳐 측방향으로 스위핑(sweep)될 수 있다.
다른 양상에서, 화학적 기계적 연마 시스템은, 연마 동작 동안 기판을 홀딩하도록 구성되는 기판 지지부, 연마 패드 지지부, 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드, 및 기판 지지부와 연마 패드 지지부 간에 상대적 모션을 생성하도록 구성되는 드라이브 시스템을 포함한다. 연마 패드는, 연마 패드 지지부에 고정되는 상부 부분, 및 상부 부분으로부터 하향으로 돌출(project)되는 하부 부분을 갖는다. 상부 부분의 상부 표면은 연마 패드 지지부에 인접해 있다. 하부 부분의 최하부 표면은, 연마 동안 기판의 최상부 표면에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공한다. 접촉 표면은, 기판의 최상부 표면보다 작다. 상부 부분은 제 1 측방향 치수를 갖고, 하부 부분은, 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 갖는다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 연마 패드 지지부는, 연마 패드에 걸친 표면을 갖는 플레이트(plate)를 포함할 수 있고, 연마 패드의 상부 부분의 실질적으로 모든 상부 표면은, 플레이트의 표면에 인접해 있을 수 있다. 접착제가 연마 패드를 패드 지지부 상에 홀딩할 수 있다. 연마 패드 지지부는 환형 부재(annular member)를 포함할 수 있고, 연마 패드의 상부 부분의 상부 표면의 둘레(perimeter) 부분은 환형 부재에 인접해 있을 수 있으며, 상부 표면 중 둘레 부분 내의 나머지 상부 표면은 연마 패드 지지부에 접촉하지 않을 수 있다. 하나 또는 그 초과의 클램프들이 연마 패드의 둘레 섹션(section)을 패드 지지부 상에 홀딩할 수 있다. 연마 패드의 상부 부분은, 접촉 표면 위의 연마 패드의 섹션보다 큰 가요성(flexibility)을 갖는 플렉싱(flexing) 섹션을 포함할 수 있다. 연마 패드의 상부 부분은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 포함할 수 있다.
슬러리 수송을 위한 복수의 홈(groove)들이 연마 패드의 하부 부분의 접촉 표면 상에 형성될 수 있다. 복수의 홈들은, 하부 부분의 두께보다 작은 깊이를 가질 수 있다. 복수의 홈들 중 적어도 일부는, 연마 패드의 하부 부분에 완전히 연장될 수 있다. 연마 패드 지지부의 내부 챔버에 의해 압력 챔버가 형성될 수 있고, 챔버는 기판-대면 개구부(substrate-facing opening)를 가질 수 있으며, 개구부는, 연마 패드 지지부에 대한 연마 패드의 커플링에 의해 시일링(seal)될 수 있다. 연마 패드의 상부 표면에 복수의 애퍼쳐(aperture)들이 형성될 수 있고, 연마 패드 지지부로부터의 복수의 돌출부들은, 연마 패드 지지부에 관해 하부 부분을 정렬하도록 복수의 애퍼쳐들에 피팅(fit)될 수 있다.
다른 양상에서, 연마 패드는, 상부 부분 및 하나 또는 그 초과의 하부 부분들을 포함한다. 상부 부분은, 패드 캐리어에 대한 부착을 위한 상부 표면을 갖고 그리고 제 1 측방향 치수를 갖는다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들은 상부 부분으로부터 하향으로 돌출된다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들의 최하부 표면은, 화학적 기계적 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공한다. 각각의 하부 부분은, 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 갖는다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들로부터의 접촉 표면의 총 표면 면적은 상부 표면의 표면 면적의 10 %보다 크지 않다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 적어도 하부 부분은, 실질적으로 균일한 조성으로 이루어지고 내부에 분포된 복수의 세공(pore)들을 갖는 폴리머 바디(polymer body)를 포함할 수 있다. 연마 패드는 연마 층을 포함할 수 있고, 하향으로 돌출된 하부 부분은 연마 층에 형성될 수 있다. 패드는, 연마 층보다 연질(soft)인 후면 층(backing layer)을 포함할 수 있다. 슬러리 수송을 위한 그루빙(grooving)은, 하나 또는 그 초과의 하부 부분들의 최하부 표면 상에 형성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들은, 단일 돌출부로 이루어질 수 있다. 연마 층은, 연마 영역을 구성하는 측방향 섹션보다 얇은 가요성 측방향 섹션을 포함할 수 있다. 하부 부분은, 미소다공성(microporous) 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 화학적 기계적 연마 시스템은, 연마 동작 동안 실질적으로 원형의 기판을 홀딩하도록 구성되는 기판 지지부, 연마 패드 지지부, 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드, 및 기판 지지부와 연마 패드 지지부 간에 상대적 모션을 생성하도록 구성되는 드라이브 시스템을 포함한다. 연마 패드는 아크 형상 접촉 영역을 갖고, 아크 형상 접촉 영역에 의해 규정되는 아크의 중심점은, 기판 지지부에 의해 홀딩되는 기판의 중심과 실질적으로 정렬된다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 아크 형상 접촉 영역에 의해 규정되는 아크의 폭은, 1 mm 내지 3 mm일 수 있고, 아크의 길이는 30 mm보다 크거나 또는 그와 동일할 수 있다. 감압성 접착제 또는 클램프 중 적어도 하나가 패드 지지부 헤드 상에 연마 패드를 홀딩할 수 있다. 기판 지지부와 연마 패드 지지부 간의 상대적 모션은, 연마 패드 지지부를 고정된 각 배향으로 유지하는 궤도 모션일 수 있다. 상대적 모션은, 기판의 중심 주위에서의 회전일 수 있다.
다른 양상에서, 연마 어셈블리는, 연마 패드 지지부, 및 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드를 포함한다. 연마 패드 지지부는, 환형 부재, 및 기판-대면 개구부를 갖는 리세스를 포함한다. 연마 패드는, 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 연마 표면을 갖는다. 연마 패드의 둘레 부분은 환형 부재에 수직적으로 고정되고, 연마 패드 중 둘레 부분 내의 나머지 연마 패드는 수직적으로 자유롭다. 연마 패드 지지부의 기판-대면 개구부는, 연마 패드에 의해 시일링되어 가압가능(pressurizable) 챔버를 규정함으로써, 연마 패드의 후면 표면(back surface) 상에 조절가능 압력을 제공한다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 접착제는, 연마 패드의 둘레 부분을 환형 부재에 고정시킬 수 있다. 하나 또는 그 초과의 클램프들이 연마 패드의 둘레 섹션을 환형 부재 상에 홀딩할 수 있다. 연마 패드 지지부는, 베이스, 및 베이스에 고정되는 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있고, 베이스와 멤브레인 간의 용적(volume)은, 멤브레인의 외부 표면이 연마 패드의 후면 표면 상에 제 2 조절가능 압력을 제공하도록, 제 2 가압가능 챔버를 규정할 수 있다. 멤브레인 및 제 2 가압가능 챔버는, 제 2 가압가능 챔버 내의 압력이 기판에 대한 연마 표면의 로딩 영역의 측방향 크기를 제어하게 하도록 구성될 수 있다.
다른 양상에서, 연마 패드는, 상부 부분, 하나 또는 그 초과의 하부 부분들, 및 복수의 애퍼쳐들을 포함한다. 상부 부분은, 패드 캐리어에 대한 부착을 위한 상부 표면을 갖고 그리고 제 1 측방향 치수를 갖는다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들은 상부 부분으로부터 하향으로 돌출된다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들의 최하부 표면은, 화학적 기계적 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공한다. 각각의 하부 부분은, 상부 부분이 하부 부분의 모든 측방향 측부(lateral side)들을 지나 돌출되도록, 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 갖는다. 패드 캐리어로부터의 돌출부들을 수용하기 위해 복수의 애퍼쳐들이 상부 부분의 상부 표면에 존재한다. 애퍼쳐들은, 하부 부분의 외향으로의 측방향으로 연마 패드의 상부 부분의 섹션에 포지셔닝된다.
구현들은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 복수의 애퍼쳐들은, 연마 패드의 모서리(corner)들에 포지셔닝될 수 있다. 연마 패드는 장방형(rectangular)일 수 있다. 하나 또는 그 초과의 하부 부분들은, 아크 형상 접촉 표면을 가질 수 있다. 슬러리 수송을 위한 복수의 홈들이 연마 패드의 하부 부분의 접촉 표면 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 이점들은 다음 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.
궤도 모션을 겪는 소형 패드가 사용되어 비-동심적(non-concentric) 연마 균일성을 보상할 수 있다. 궤도 모션은, 연마되기를 원하지 않는 구역들과의 패드의 겹침(overlap)을 회피하면서 수용가능한 연마 레이트(rate)를 제공할 수 있으며, 그에 따라, 기판 균일성이 개선된다. 부가하여, 회전과는 대조적으로, 기판에 관한 연마 패드의 고정된 배향을 유지하는 궤도 모션은, 연마되는 구역에 걸쳐 더 균일한 연마 레이트를 제공할 수 있다.
연마 패드 지지부에 고정되는 연마 패드의 최상부 부분을 기판과의 접촉을 이루는 최하부 돌기보다 측방향으로 더 넓게 만드는 것은, 예컨대 감압성 접착제에 의한, 패드의 지지부로의 연결에 대해 이용가능한 영역을 증가시킬 수 있다. 이것은, 연마 동작 동안, 연마 패드가 박리(delamination)에 대해 덜 취약하게 할 수 있다.
기판에 접촉하기 위한 아크 형상 접촉 영역을 갖는 연마 패드는, 개선된 연마 레이트를 제공하는 한편, 연마 구역에 대한 충분한 방사상 분해능(dial resolution)을 유지할 수 있다.
정렬 피쳐(feature)는, 연마 패드의 제한된 접촉 영역이 패드 지지부에 관해 측방향으로 알려진 포지션에 배치된다는 것을 보장할 수 있으며, 그에 따라, 기판의 원하지 않은 구역을 연마할 가능성이 감소된다.
연마 패드에 플렉싱되는 부분을 제공하는 것은 연마 패드의 접촉 표면의 부분의 플렉싱을 감소시킬 수 있으며, 그에 따라, 연마되는 영역이 작업자에 의해 예상되는 것과 매칭(match)할 가능성이 개선된다.
연마 패드의 돌출부에서의 홈들은, 슬러리의 수송을 가능하게 할 수 있으며, 그에 따라, 연마 레이트를 개선할 수 있다.
연마 패드 중 기판에 접촉하지 않는 부분은 더 낮은 비용의 재료로 형성될 수 있으며, 그에 따라, 총 패드 비용이 감소된다.
기판에 대해 로딩되는 접촉 영역의 부분의 크기에 대한 제어를 허용하는 패드 캐리어는, 연마될 스폿(spot)의 크기에 로딩 영역이 매칭되는 것을 허용할 수 있으며, 그에 따라, 기판의 원하지 않은 영역을 연마하는 것이 회피되면서 수율(throughput)이 개선된다.
전체적으로, 기판에 대한 불균일한(non-uniform) 연마가 감소될 수 있고, 기판에 대한 결과적인 편평도 및 마감(finish)이 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 양상들, 특성들, 및 이점들은, 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 연마 시스템의 개략적인 측단면도이다.
도 2는, 기판을 홀딩하기 위한 진공 척(vacuum chuck)을 포함하는 연마 시스템의 구현에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 3은, 하향 돌출부를 포함하지 않는 연마 패드를 갖는 연마 시스템의 구현에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 4는, 기판보다 큰 직경을 갖는 상부 층 및 기판보다 작은 직경을 갖는 하향 돌출부를 갖는 연마 패드를 갖춘 연마 시스템의 구현에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 5는, 고정된 각 배향을 유지하면서 궤도로 이동하는 연마 패드를 예시하는 개략적인 단면 평면도이다.
도 6은, 연마 시스템의 연마 패드 지지부 및 드라이브 트레인(train) 시스템의 개략적인 단면 평면도이다.
도 6a는, 기판에 관한 도 6의 시스템의 개략적인 단면 평면도이다.
도 6b는, 도 6a에 관해 1/4 선회 회전(quarter revolution turn)한 도 6의 시스템의 개략적인 단면 평면도이다.
도 7a는, 복수의 클램프들로 연마 패드에 연결되는 이동식 연마 패드 지지부의 개략적인 측단면도이다.
도 7b는, 내부 멤브레인에 의해 인클로징(enclose)되는 내부 가압 공간을 포함하는 이동식 연마 패드 지지부의 구현에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8a는, 저압 상태에 있는 도 7b의 이동식 연마 패드 지지부의 개략적인 측단면도이다.
도 8b는, 고압 상태에 있는 도 7b의 이동식 연마 패드 지지부의 개략적인 측단면도이다.
도 9는, 연마 패드의 접촉 영역에 대한 개략적인 저면도이다.
도 10a 및 10b는, 연마 패드의 구현들에 대한 개략적인 측단면도들이다.
도 11은, 이동식 연마 패드 지지부의 다른 구현에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 12는, 대응하는 아크 형상 로딩 영역을 형성하는 아크 형상 돌출부 층을 갖는 연마 패드를 갖춘 연마 시스템의 구현에 대한 개략적인 평면도이다.
도 13은, 궤도 모션을 겪는 아크 형상 연마 표면을 갖는 연마 시스템의 구현에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 14는, 연마 패드의 개략적인 평면도이다.
다양한 도면들에서 동일한 참조 기호들은 동일한 엘리먼트들을 표시한다.
1. 도입부
일부 연마 공정들은, 기판의 표면에 걸쳐 두께의 불균일성을 초래한다. 예를 들어, 벌크(bulk) 연마 공정은, 기판 상에 불충분하게 연마된(under-polished) 구역들을 초래할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 벌크 연마 이후, 불충분하게 연마된 기판의 부분들에 초점을 맞춘 "터치-업" 연마 공정을 수행하는 것이 가능하다.
벌크 연마 공정에서, 연마는, 비록 잠재적으로는 전면 표면의 상이한 구역들에서 상이한 레이트들로 이루어지긴 하지만, 기판의 전면 표면 전부에 대해 발생한다. 벌크 연마 공정에서는 주어진 순간에 기판의 표면 전부가 연마를 겪고 있을 수 있는 것은 아닐 수도 있다. 예를 들어, 연마 패드에서의 홈들의 존재로 인해, 기판 표면의 일부 부분은 연마 패드와 접촉하고 있지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 부분은, 벌크 연마 공정 동안, 연마 패드와 기판 간의 상대적 모션으로 인해 국부적이지는 않으므로, 기판의 모든 전면 표면은 어느 정도 양의 연마를 겪는다.
대조적으로, "터치-업" 연마 공정에서는, 연마 패드가 기판의 전면 표면 전부보다는 덜 접촉할 수 있다. 부가하여, 기판에 관한 연마 패드의 모션의 범위는, 터치-업 연마 공정 동안, 연마 패드가 오직 기판의 국부적인 구역에만 접촉하도록 그리고 기판의 전면 표면의 상당한 부분(예컨대, 적어도 50%, 적어도 75%, 또는 적어도 90%)이 연마 패드에 결코 접촉하지 않음으로써 그에 따라 연마를 겪지 않도록 구성된다. 예를 들어, 터치-업 연마에서, 접촉 영역은 기판의 반경 표면보다 실질적으로 더 작을 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 일부 벌크 연마 공정들은 불균일한 연마를 초래한다. 특히, 일부 벌크 연마 공정들은, 불충분하게 연마되는 국부적인 비-동심적이고 불균일한 스폿들을 초래한다. 터치-업 연마 공정에서, 기판의 중심을 중심으로 회전하는 연마 패드는, 불균일성을 갖는 동심적 링(ring)들을 보상하는 것이 가능할 수 있지만, 국부적인 비-동심적이고 불균일한 스폿들, 예컨대 두께 프로파일(profile)에서의 각 비대칭성을 해결하는 것은 가능하지 않을 수 있다. 그러나, 소형 패드, 예컨대 궤도 모션을 겪는 소형 패드가 사용되어 비-동심적 연마 균일성을 보상할 수 있다. 몇몇 구현들의 경우, 연마 동안, 연마 패드는 고정된 각 배향으로 궤도 모션을 겪을 수 있다.
도 1을 참조하면, 기판의 국부적인 구역들을 연마하기 위한 연마 장치(100)는, 기판(10)을 홀딩하기 위한 기판 지지부(105), 및 연마 패드(200)를 홀딩하기 위한 이동식 연마 패드 지지부(300)를 포함한다. 연마 패드(200)는, 연마되는 기판(10)의 반경보다 작은 직경을 갖는 연마 표면(250)을 포함한다.
연마 패드 지지부(300)는, 연마 동작 동안 기판(10)에 관한 연마 패드 지지부(300)의 모션을 제공할 연마 드라이브 시스템(500)으로부터 서스펜딩(suspend)된다. 연마 드라이브 시스템(500)은, 지지 구조(550)로부터 서스펜딩될 수 있다.
몇몇 구현들에서, 포지셔닝 드라이브 시스템(560)이 기판 지지부(105) 및/또는 연마 패드 지지부(300)에 연결된다. 예를 들어, 연마 드라이브 시스템(500)은, 포지셔닝 드라이브 시스템(560)과 연마 패드 지지부(300) 간의 연결을 제공할 수 있다. 포지셔닝 드라이브 시스템(560)은, 패드 지지부(300)를 기판 지지부(105) 위의 원하는 측방향 포지션에 포지셔닝시키도록 동작가능하다. 예를 들어, 지지 구조(550)는 2개의 선형 액추에이터들(562 및 564)을 포함할 수 있고, 이들은, 포지셔닝 드라이브 시스템(560)을 제공하기 위해, 서로에 대해 수직으로 기판 지지부(105) 위에 배향된다. 대안적으로, 기판 지지부(105)는, 2개의 선형 액추에이터들에 의해 지지될 수 있다. 대안적으로, 기판 지지부(105)는 회전가능할 수 있고, 연마 패드 지지부(300)는, 방사상 방향에 따른 모션을 제공하는 단일 선형 액추에이터로부터 서스펜딩될 수 있다. 대안적으로, 연마 패드 지지부는 로터리(rotary) 액추에이터(508)로부터 서스펜딩될 수 있고, 기판 지지부(105)는 로터리 액추에이터(506)를 이용하여 회전가능할 수 있다.
선택적으로, 수직 액추에이터(506 및/또는 508로 도시됨)가 기판 지지부(105) 및/또는 연마 패드 지지부(300)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(105)를 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있는 수직으로 드라이빙가능한 피스톤에 기판 지지부(105)가 연결될 수 있다.
연마 장치(100)는, 연마용 슬러리와 같은 연마액(65)을 연마될 기판(10)의 표면(12) 상에 분배(dispense)하기 위한 포트(60)를 포함한다. 연마 장치(100)는 또한, 연마 패드(200)를 마모시켜 연마 패드(200)를 일관된 연마용 상태로 유지시키기 위한 연마 패드 컨디셔너(conditioner)를 포함할 수 있다.
동작 시, 기판(10)은, 예컨대 로봇(robot)에 의해 기판 지지부(105) 상에 로딩된다. 포지셔닝 드라이브 시스템(560)은, 연마 패드 지지부(300) 및 연마 패드(200)를 기판(10) 상의 원하는 포지션에 포지셔닝시키고, 수직 액추에이터(506)는, 기판(10)을 연마 패드(200)와 접촉하게 이동시킨다(또는, 액추에이터(508)를 이용하여 연마 패드(200)를 기판(10)과 접촉하게 이동시킴). 연마 드라이브 시스템(500)은, 연마 패드 지지부(300)와 기판 지지부(105) 간에 상대적 모션을 생성하여 기판(10)의 연마를 야기한다.
연마 동작 동안, 포지셔닝 드라이브 시스템(560)은, 연마 드라이브 시스템(500) 및 기판(10)을 서로에 관해 실질적으로 고정되게 홀딩할 수 있다. 예를 들어, 포지셔닝 시스템은, 연마 드라이브 시스템(500)을 기판(10)에 관해 고정(stationary)으로 홀딩할 수 있거나, 또는 연마 드라이브 시스템(500)을 연마될 구역에 걸쳐 (연마 드라이브 시스템(500)에 의해 기판(10)에 제공되는 모션에 비해) 느리게 스위핑할 수 있다. 예를 들어, 포지셔닝 드라이브 시스템(560)에 의해 기판에 제공되는 순간 속도는, 연마 드라이브 시스템(500)에 의해 기판에 제공되는 순간 속도의 5% 미만, 이를테면 2% 미만일 수 있다.
연마 시스템은 또한, 제어기(90), 예컨대 프로그래밍가능 컴퓨터를 포함한다. 제어기는, 중앙 프로세싱 유닛(91), 메모리(92), 및 지원 회로들(93)을 포함할 수 있다. 제어기(90)의 중앙 프로세싱 유닛(91)은, 제어기가 환경 및 원하는 연마 파라미터들에 기초하여 입력을 수신하게 하고 그리고 다양한 액추에이터들 및 드라이브 시스템들을 제어하게 하도록, 지원 회로들(93)을 통해 메모리(92)로부터 로딩되는 명령들을 실행한다.
"터치-업" 연마 동작의 경우, 제어기(90)는, 연마 드라이브 시스템(500)이 느리게 스위핑되고 있는 경우라 하더라도, 터치-업 연마 공정 동안 기판의 전면 표면의 상당한 부분(예컨대, 적어도 50%, 적어도 75%, 또는 적어도 90%)이 연마 패드에 결코 접촉하지 않음으로써 그에 따라 연마를 겪지 않도록, 연마 드라이브 시스템(500)의 모션의 범위가 제약되게 포지셔닝 드라이브 시스템(560)을 제어하도록 프로그래밍된다.
2. 연마 시스템
A. 기판 지지부
도 1을 참조하면, 기판 지지부(105)는, 연마 패드 지지부 아래에 위치되는 플레이트 형상 바디이다. 바디의 상부 표면(116)은, 처리될 기판을 수용할만큼 충분히 큰 로딩 영역을 제공한다. 예를 들어, 기판은 200 내지 450 mm 직경 기판일 수 있다. 기판 지지부(105)의 상부 표면(116)은, 기판(10)의 후면 표면(즉, 연마되지 않는 표면)과 접촉하고 자신의 포지션을 유지한다.
기판 지지부(105)는, 기판(10)과 거의 동일한 반경이거나 또는 그보다 크다. 몇몇 구현들에서, 기판 지지부(105)는, 예컨대, 기판 직경의 1-2%만큼 기판보다 약간 더 좁다(예컨대, 도 2 참조). 지지부(105) 상에 배치되는 경우, 기판(10)의 에지(edge)는 지지부(105)의 에지에 약간 오버행(overhang)될 수 있다. 이것은, 에지 그립(grip) 로봇이 기판을 지지부 상에 배치하기 위한 간극(clearance)을 제공할 수 있다. 몇몇 구현들에서, 기판 지지부(105)는 기판보다 넓다. 이러한 경우에서, 진공 척을 갖는 엔드 이펙터(end effector)를 갖춘 로봇이 기판을 지지부 상에 배치하는데 사용될 수 있다. 어느 경우에서든, 기판 지지부(105)는 기판의 후면측 표면 대부분과 접촉할 수 있다.
몇몇 구현들에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판 지지부(105)는 클램프 어셈블리(111)를 이용하여 연마 동작 동안 기판(10) 포지션을 유지한다. 몇몇 구현들에서, 클램프 어셈블리(111)는, 기판(10)의 최상부 표면의 림(rim)에 접촉하는 단일 환형 클램프 링(112)일 수 있다. 대안적으로, 클램프 어셈블리(111)는, 기판(10)의 대향 측들 상의 최상부 표면의 림에 접촉하는 2개의 아크 형상 클램프들(112)을 포함할 수 있다. 클램프 어셈블리(111)의 클램프들(112)은, 하나 또는 그 초과의 액추에이터들(113)에 의해 기판의 림과 접촉하도록 하강될 수 있다. 클램프의 하향 힘은 연마 동작 동안 기판이 측방향으로 움직이는 것을 억제한다. 몇몇 구현들에서, 클램프(들)는, 기판의 외측 에지를 둘러싸는 돌출 플랜지(flange)(114)를 하향으로 포함한다.
몇몇 구현들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판 지지부(105)는 진공 척(106)이다. 진공 척(106)은, 챔버(122), 및 기판(10)을 지지하는 표면(116)에 챔버(122)를 연결시키는 복수의 포트들(124)을 포함한다. 동작 시, 예컨대 펌프(129)에 의해 에어(air)가 챔버(122)로부터 배기될 수 있고, 그에 따라, 포트들(124)을 통해 흡입력이 가해짐으로써 기판이 기판 지지부(106) 상의 포지션에 홀딩된다.
몇몇 구현들에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 지지부(105)는 리테이너(retainer)(131)를 포함한다. 리테이너(131)는, 기판(10)을 지지하는 표면(116)에 부착되고 그 위로 돌출할 수 있다. 통상적으로, 리테이너는 적어도 기판(10)만큼 두껍다(표면(12)에 수직으로 측정된 두께). 동작 시, 리테이너(131)는 기판(10)을 둘러싼다. 예를 들어, 리테이너(131)는, 기판(10)의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는 환형 바디일 수 있다. 연마 동안, 연마 패드(200)로부터의 마찰이 기판(10)에 대해 측방향 힘을 생성할 수 있다. 그러나, 리테이너(131)는, 기판(10)의 측방향 모션을 제한한다.
위에 설명된 다양한 기판 지지부 피쳐들은 선택적으로 서로 결합될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부는, 진공 척 및 리테이너 둘 모두를 포함할 수 있다.
부가하여, 예시의 용이성을 위해 기판 지지부 구성들은 감압성 접착제와 함께 이동식 패드 지지부 구성들로 도시되지만, 이들은 아래에 설명되는 패드 지지부 헤드 및/또는 드라이브 시스템의 실시예들 중 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다.
B. 연마 패드
도 1을 참조하면, 연마 패드(200)는, 연마 동안 접촉 영역(로딩 영역으로 또한 지칭됨)에서 기판(10)과 접촉하게 되는 연마 표면(250)을 갖는다. 연마 표면(250)은, 기판(10)의 반경보다 작은 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 연마 표면의 직경은 기판 직경의 약 5-10%일 수 있다. 예를 들어, 직경이 200 mm 내지 300 mm 범위에 있는 웨이퍼의 경우, 연마 표면은 직경이 10 내지 30 mm일 수 있다. 연마 표면이 작을수록 더 높은 정밀도를 제공하지만 수율은 더 낮아진다.
몇몇 구현들에서, 기판 표면 중 1% 미만의 기판 표면이 임의의 주어진 시간에 연마 표면에 의해 접촉될 수 있다. 일반적으로, 이는 터치-업 연마 동작에 대해서는 유용할 수 있지만, 그러한 작은 면적은 낮은 수율로 인해 벌크 연마 동작에 대해서는 수용가능하지 않을 것이다.
몇몇 구현들에서, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이, 전체 연마 패드는, 예를 들어, 패드의 외측 에지에 대해 측정되는 경우 기판(10)의 반경보다 작은 반경을 갖는다. 예를 들어, 연마 패드의 직경은 기판 직경의 약 5-10%일 수 있다.
도 1의 예에서, 연마 패드(200)는 기판(10)의 상부 표면 위에 로케이팅되며, 이동식 패드 지지부(300)의 최하부에 커플링되는 상부 부분(270) 및 연마 동작 동안 기판(10)과 접촉하는 최하부 표면(250)을 갖는 하부 부분(260)을 포함한다. 몇몇 예시들에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 연마 패드(200)의 최하부 부분(260)은, 더 넓은 상부 부분(270)으로부터의 돌기에 의해 제공된다. 돌기(260)의 최하부 표면(250)은, 연마 동작 동안 기판과 접촉하고 연마 표면을 제공한다.
도 1의 예에서, 이동식 패드 지지부(300)는, 감압성 접착제(231)를 사용하여 연마 패드(200)의 상부 부분(270)에 커플링된다. 연마 패드 지지부(300)의 최하부 표면과 연마 패드(200)의 최상부 표면 사이에 적용되는 감압성 접착제(231)는, 연마 동작 동안 패드 지지부(300)에 대한 연마 패드(200)의 커플링을 유지한다.
연마 패드(200)의 상부 부분(270)을 하부 부분(260)보다 넓게 함으로써, 접착제(231)에 대한 이용가능한 표면 면적이 증가된다. 접착제(231)의 표면 면적을 증가시키는 것은, 패드(200)와 패드 지지부 간의 접합 강도를 개선할 수 있고, 연마 동안의 연마 패드 박리의 위험성을 감소시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 연마 패드(203)는, 자신의 하부 부분(260)에서 자신의 최상부 부분(273)에서의 반경과 동일한 반경을 가질 수 있다. 그러나, 감압성 접착제(231)가 패드와 이동식 패드 지지부(300) 간의 커플링을 제공하는 경우, 최하부 부분(263)이 최상부 부분(273)보다 좁은 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 연마 패드의 접촉 영역(5)은, 연마 패드의 디스크 형상 최하부 돌기에 의해 형성되는 디스크 형상 기하형상(5)일 수 있다.
도 9a 및 9b를 참조하면, 기판(10)과 접촉하는 연마 패드(110)의 접촉 영역(901)은, 연마 패드의 아크 형상 돌기(290)에 의해 형성되는 아크 형상 접촉 영역(901)일 수 있다.
도 1을 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(200)의 상부 부분(270)의 직경은 기판(10)의 직경보다 작을 수 있다.
도 4를 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(204)의 상부 부분(274)의 직경은 기판(10)의 직경보다 클 수 있다.
도 1을 참조하면, 연마 패드(200)는 균일한 조성의 단일 층으로 이루어질 수 있다. 이러한 경우에서, 상부 부분(270), 및 돌기(260)로 또한 지칭되는 하부 부분(260)의 재료 조성은 동일하다.
도 10b를 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(200)는, 상이한 조성의 2개 또는 그 초과의 층들, 예컨대 연마 층(1062) 및 더 압축성의(compressible) 후면 층(1052)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 연마 층(1062)을 후면 층(1052)에 고정시키기 위해 중간(intermediate) 감압성 접착제 층(1032)이 사용될 수 있다. 이러한 경우에서, 상부 부분(1221)은 후면 층(1052)에 대응할 수 있고, 하부 부분(1222)은 연마 층(1062)에 대응할 수 있다. 연마 패드는, 감압성 접착제 층(231)을 통해 연마 패드 지지부에 커플링될 수 있다.
도 10a를 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드는 상이한 조성의 2개 또는 그 초과의 층들을 포함할 수 있고, 연마 패드(200)의 상부 부분(1221)은, 연마 층(1062)의 상부 섹션(1064) 및 후면 층(1052) 둘 모두를 포함할 수 있다. 따라서, 연마 층(1062)은, 돌기(1222)를 제공하는 하부 섹션(1066) 및 상부 섹션(1064) 둘 모두를 포함하며, 상부 섹션(1064)은 하부 섹션(1066)보다 넓다.
연마 패드는, 감압성 접착제 층(321)을 통해 연마 패드 지지부에 커플링될 수 있다.
도 10a 또는 도 10b에 도시된 어느 구현에서든, 연마 층(1062)은 균일한 조성의 단일 층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 10a 또는 도 10b에 도시된 어느 구현에서든, 기판에 접촉하는 패드의 부분은, 종래의 재료, 예컨대 폴리우레탄과 같은 미소다공성 폴리머로 이루어질 수 있다.
도 10a를 참조하면, 후면 층(1052)은, 불균일한 기판 표면 스폿을 연마하는 경우에 더 양호한 연마 패드 가요성을 허용하기 위해 비교적 연질일 수 있다. 연마 층(1064)은 경질(hard) 폴리우레탄일 수 있다.
도 10b를 참조하면, 후면 층(1052)은 비교적 연질일 수 있지만, 또한, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 예컨대 MylarTM와 같은 재료로 제조된 가요성의 비압축성 층일 수 있다. 예를 들어, 그러한 패드 구성은, 도 10b의 연마 패드가 도 11의 가압 챔버 연마 패드 지지부에 커플링되는 구현에서 사용될 수 있다. 연마 층(1062)은 경질 폴리우레탄일 수 있다.
도 11을 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(205)는 상부 부분(275) 및 하부 부분(260)을 포함할 수 있다. 연마 패드(205)는, 결합된 하부 부분(260)과 상부 부분(275)을 포함하는 더 두꺼운 측방향 섹션(267)을 갖는다. 상부 부분(275)은, 더 두꺼운 섹션(267)의 양측 상에서 측방향으로 연장되어 측방향 측부 섹션들(285)을 제공한다. 측방향 측부 섹션들(285)은, 더 두꺼운 섹션(267) 상에서의 압력에 반응하여 플렉싱된다. 더 두꺼운 섹션(267)은 연마 영역에서 약 2 mm의 패드 두께를 가질 수 있는데, 이는 큰 크기의 패드와 유사하다. 플렉싱 측방향 섹션들(285)에서의 패드 두께는 약 0.5 mm일 수 있다.
몇몇 구현들에서, 연마 패드(200)의 하부 부분의 최하부 표면(250)은, 연마 동작 동안 슬러리의 수송을 허용하기 위한 홈들을 포함할 수 있다. 홈들(299)은, 하부 부분(260)의 깊이보다 얕을 수 있다(예컨대, 도 11 참조). 그러나, 몇몇 구현들에서, 하부 부분은 홈들을 포함하지 않는다. 연마 패드가 홈들을 포함하면, 홈들(299)은, 하부 부분(260)의 측방향 폭에 걸쳐 완전히 연장될 수 있다. 부가하여, 홈들은 하부 부분(260)의 수직 두께보다 얕을 수 있는데, 즉, 홈들은, 하부 부분(260)을 부분적으로 수직으로 통과하지만 완전히 통과하지는 않는다.
도 9를 참조하면, 연마 패드(200)의 최하부 표면(1900)은 아크 형상 영역일 수 있다. 연마 패드가 홈들을 포함하면, 홈들(299)은, 아크 형상 영역의 측방향 폭에 걸쳐 완전히 연장될 수 있다. 홈들(299)은, 아크 형상 영역의 길이를 따라 균일한 피치(pitch)로 이격될 수 있다. 각각의 홈들(299)은, 홈 및 아크 형상 영역의 중심(1903)을 통과하는 반경을 따라 연장될 수 있거나, 또는 반경에 대해 비스듬히, 예컨대 45°로 포지셔닝될 수 있다.
도 14를 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(200)는, 연마 패드(200), 및 접촉 영역(250)을 제공하는 하부 부분(260)이 패드 지지부(300)에 관해 알려진 측방향 포지션에 있는 것을 보장하기 위해, 패드 지지부(300) 상의 매칭 피쳐들과 결합(mate)하는 정렬 피쳐들을 포함한다.
예를 들어, 연마 패드(200)는, 연마 패드(200)의 후면 표면에 형성되는 리세스들(1402)을 포함할 수 있다. 리세스들(1402)은, 접촉 영역(250)에 관해 알려진 포지션에서 연마 패드 내로 기계가공 드릴링(machine drill)될 수 있다. 리세스들(1402)은, 연마 패드(200)의 상부 부분(270)의 외측 측방향 부분(285) 또는 얇은 플랜지에 포지셔닝될 수 있다. 리세스들은, 연마 패드를 통해 부분적으로 또는 완전히 연장될 수 있다. 패드 지지부(300)는, 리세스들(1402)에 피팅되는, 예컨대 플레이트로부터 하향으로 돌출되는 핀(pin)들(1404)을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 연마 패드(200)의 에지들(1406) 중 적어도 일부는, 연마 패드(200) 상에 접촉 영역(250)이 규정된 후에 기계가공될 수 있다. 패드 지지부(300)는, 지지 플레이트에 기계가공된 리세스를 포함할 수 있다. 리세스의 에지들은 정렬 표면들을 포함하고, 연마 패드의 에지들(1406)은 플레이트 내의 리세스의 정렬 표면에 인접하도록 포지셔닝된다.
기판에 접촉하는, 연마 패드(200)의 하부 부분(260)은, 고품질의 재료, 예컨대 강성, 다공성 등의 고정밀 규격들을 충족시키는 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 기판과 접촉하지 않는, 연마 패드의 다른 부분들은, 그러한 고정밀 규격들을 충족시킬 필요가 없으며, 따라서, 더 낮은 비용의 재료들로 형성될 수 있다. 이것은 총 패드 비용을 감소시킬 수 있다.
C. 드라이브 시스템 및 패드의 궤도 모션
도 1 및 도 5를 참조하면, 연마 드라이브 시스템(500)은, 연마 동작 동안, 커플링된 연마 패드 지지부(300)와 연마 패드(200)를 기판(10) 위에서 궤도 모션으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 연마 드라이브 시스템(500)은, 연마 동작 동안, 연마 패드를 기판에 관해 고정된 각 배향으로 유지하도록 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판과 접촉해 있는 연마 패드의 궤도(20)의 반경은 바람직하게는, 접촉 영역의 직경(22)보다 작다. 예를 들어, 궤도의 반경은, 접촉 영역의 직경의 약 5-50%, 예컨대 5-20%일 수 있다. 20 내지 30 mm 직경 접촉 영역의 경우, 궤도의 반경은 1-6 mm일 수 있다. 이것은, 로딩 영역(5)에서의 더 균일한 속도 프로파일을 달성한다. 연마 패드는, 1000 내지 5000 분당 회전수("rpm")의 레이트로 자신의 궤도에서 리볼빙(revolve)할 수 있다.
도 6을 참조하면, 드라이브 트레인은, 단일 액추에이터(915)로 궤도 모션을 달성하는 기계적 시스템 베이스(910)를 포함할 수 있다. 모터 출력 샤프트(shaft)(924)는, 연결가능하게 캠(922)에 커플링된다. 캠(922)은, 연마 패드 홀더(920) 내의 리세스(928) 내로 연장된다. 연마 동작 동안, 모터 출력 샤프트(924)가 회전 축(990)을 중심으로 회전하여 캠(922)으로 하여금 연마 패드 홀더(920)를 리볼빙시키게 한다. 복수의 회전-방지 링크들(912)이 기계적 시스템 베이스(910)로부터 연마 패드 홀더(920)의 상부 부분으로 연장되어 패드 홀더(920)의 회전을 방지한다. 캠의 모션(922)과 함께 회전-방지 링크들(912)은 연마 패드 지지부의 궤도 모션을 달성하며, 여기서, 연마 패드 홀더(920)의 각 배향은 연마 동작 동안 변하지 않는다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 궤도 모션은, 연마 동작 동안, 기판에 관한 연마 패드의 고정된 각 배향을 유지할 수 있다. 중앙의 모터 출력 샤프트(620)가 회전함에 따라, 캠(625)은, 위의 기계적 시스템 베이스를 연마 패드 지지부에 연결시키는 회전-방지 링크들(630)과 결합하여, 회전 모션을 연마 패드(610)에 대한 궤도 모션으로 변환한다. 이것은, 단순 회전보다 균일한 속도 프로파일을 달성한다.
몇몇 구현들에서, 연마 드라이브 시스템 및 포지셔닝 드라이브 시스템은 동일한 컴포넌트들에 의해 제공된다. 예를 들어, 패드 지지부 헤드를 2개의 수직 방향들로 이동시키도록 구성되는 2개의 선형 액추에이터들을 (단일 드라이브 시스템이) 포함할 수 있다. 포지셔닝을 위해, 제어기는, 액추에이터들로 하여금 패드 지지부를 기판 상의 원하는 포지션으로 이동시키게 할 수 있다. 연마를 위해, 제어기는, 예컨대 2개의 액추에이터들에 위상 오프셋 사인파(phase offset sinusoidal) 신호들을 인가함으로써, 액추에이터들로 하여금 패드 지지부를 궤도 모션으로 이동시키게 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 드라이브 시스템(500)은 2개의 로터리 액추에이터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 패드 지지부는 로터리 액추에이터(508)로부터 서스펜딩될 수 있고, 로터리 액추에이터(508)는 차례로, 제 2 로터리 액추에이터(509)로부터 서스펜딩된다. 연마 동작 동안, 제 2 로터리 액추에이터(509)는, 연마 패드 지지부(300)를 스위핑하는 암(arm)(510)을 궤도 모션으로 회전시킨다. 제 1 로터리 액추에이터(508)는, 예를 들어, 제 2 로터리 액추에이터(509)와 동일한 회전 레이트로, 그러나 반대 방향으로 회전하여 회전 모션을 상쇄함으로써, 연마 패드 어셈블리가 기판에 대해 실질적으로 고정된 각 포지션을 유지하면서 궤도운동하게 된다.
D. 패드 지지부
이동식 패드 지지부(300)는, 연마 패드를 홀딩하고 그리고 연마 드라이브 시스템(500)에 커플링된다.
몇몇 구현들에서, 예컨대 도 1-4에 도시된 바와 같이, 패드 지지부(300)는 단순한 강성 플레이트이다. 플레이트의 하부 표면(311)은, 연마 패드(200)의 상부 부분(270)을 수용할만큼 충분히 크다.
그러나, 패드 지지부(300)는 또한, 기판(10)에 대한 연마 패드(200)의 하향 압력을 제어하기 위한 액추에이터(508)를 포함할 수 있다.
도 7a의 예에서, 연마 패드(200) 상에 조절가능한 압력을 가할 수 있는 패드 지지부(300)가 도시된다. 패드 지지부(300)는, 연마 드라이브 시스템(500)에 커플링되는 베이스(317)를 포함한다. 베이스(317)의 최하부는 리세스(327)를 포함한다. 패드 지지부(300)는, 연마 패드(200)의 림을 베이스(317) 상에 홀딩하는 클램프(410)를 포함한다. 연마 패드(200)는, 리세스(327)를 커버함으로써 가압가능 챔버(426)를 규정할 수 있다. 챔버(426) 내로 또는 밖으로 유체를 펌핑(pump)함으로써, 기판(10)에 대한 연마 패드(200)의 하향 압력이 조절될 수 있다.
몇몇 구현들에서, 도 7b, 도 8a, 및 도 8b에서와 같이, 패드 지지부(300)는, 멤브레인(405)과 베이스(317) 사이에서 제 1 가압가능 챔버(406)를 규정하는 내부 멤브레인(405)을 가질 수 있다. 멤브레인은, 연마 표면(258)으로부터 더 먼 쪽의 연마 패드(200)의 면(275)에 접촉하도록 포지셔닝된다. 멤브레인(405) 및 챔버(406)는, 연마 동작 동안 패드 지지부(300)가 연마 패드(200)를 홀딩하는 경우, 챔버(406) 내의 압력이 기판(10) 상에서의 연마 패드(200)의 로딩 영역(809)의 크기를 제어하도록 구성된다. 챔버 내부의 압력이 증가하는 경우, 멤브레인은, 자신의 반경을 확장시킴으로써 패드의 최하부의 돌기 층의 더 큰 부분에 압력을 가하고, 그에 따라, 로딩 영역(810)의 면적이 증가된다. 압력이 감소하는 경우, 더 작은 크기의 로딩 영역(809)이 초래된다.
도 11을 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드 지지부(315)는, 연마 패드 지지부(315)의 벽들(320)에 의해 형성되는 내부 가압가능 챔버(325)를 포함할 수 있다. 챔버(325)는 기판-대면 개구부(327)를 가질 수 있다. 개구부(327)는, 예컨대 클램프(410)에 의해 연마 패드(200)를 연마 패드 지지부(315)에 고정시킴으로써 시일링될 수 있다. 압력 챔버(425) 내의 압력은, 연마되는 불균일한 스폿을 조절하기 위해, 연마 동작 동안, 예컨대 제어기 및 유체정역학 펌프(hydrostatic pump)에 의해 동적으로 제어될 수 있다.
도 12를 참조하면, 몇몇 구현들에서, 연마 패드(20)의 접촉 영역(1301)은 아크 형상 영역일 수 있다. 예를 들어, 돌기가 아크 형상일 수 있다. 드라이브 시스템(500)은, 기판(10)의 중심(1302) 주위에서 아크를 회전시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 몇몇 실시예들에서, 연마 패드(200)의 접촉 영역(901)은, 기판(10)에 대해 궤도 모션을 겪는 아크 형상 영역일 수 있다.
3. 결론
기판 상에서 불균일성을 갖는 스폿의 크기는, 그 스폿을 연마하는 동안의 접촉 영역의 이상적인 크기를 좌우할 것이다. 접촉 영역이 너무 크면, 기판 상에서의 일부 영역들에 대한 불충분한 연마의 보정은, 다른 영역들에 대한 과도한 연마를 초래할 수 있다. 반면, 접촉 영역이 너무 작으면, 패드는 불충분하게 연마되는 영역을 커버하기 위해 기판에 걸쳐 이동될 필요가 있을 것이며, 그에 따라, 수율이 감소된다.
기판 처리 동작에서, 기판은 먼저, 기판의 전면 표면 전체에 걸쳐 연마가 수행되는 벌크 연마 공정을 겪을 수 있다. 선택적으로, 벌크 연마 동작 이후, 예컨대 인-라인(in-line) 또는 독립형(stand-alone) 계측 스테이션에서, 기판의 불균일성이 측정될 수 있다. 그 후, 기판은 연마 장치(100)로 수송되어 터치-업 연마 공정을 겪을 수 있다. 연마 장치에서 연마될 구역의 제어는, 이력 데이터, 예컨대 품질관리 동안 행해진 두께 측정들, 또는 인-라인 또는 독립형 계측 스테이션에서의 기판의 측정들 중 어느 하나로부터의, 기판의 불충분하게 연마된 구역들의 식별에 기초할 수 있다.
전체 연마 시스템은, 기판의 전면 표면이 (중력에 대해) 수직으로 또는 하향으로 향하도록 포지셔닝되게 배열될 수 있다. 그러나, 기판의 전면 표면이 상향으로 향하게 하는 것의 이점은, 이것이 슬러리가 기판의 면 상에 분포되는 것을 허용한다는 것이다. 연마 패드의 연마 표면에 비해 더 큰 사이즈의 기판으로 인해, 슬러리 보유력(retention)이 개선될 수 있고, 그에 따라, 슬러리 사용이 감소될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 기판 지지부는, 몇몇 실시예들에서, 기판을 연마 패드에 대한 포지션으로 이동시키는 것이 가능한 자신 고유의 액추에이터들을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 위에 설명된 시스템은, 기판이 실질적으로 고정된 포지션에 홀딩되어 있으면서 연마 패드를 궤도 경로로 이동시키는 드라이브 시스템을 포함하지만, 대신, 연마 패드가 실질적으로 고정된 포지션에 홀딩되고 기판이 궤도 경로로 이동될 수 있다. 이러한 상황에서, 연마 드라이브 시스템은 유사할 수 있지만, 연마 패드 지지부가 아니라 기판 지지부에 커플링된다. 일반적으로 원형 기판이 가정되지만, 이것이 요구되지는 않으며, 지지부 및/또는 연마 패드는 장방형과 같은 다른 형상들일 수 있다(이러한 경우에서, "반경" 또는 "직경"에 대한 논의는 일반적으로 장축(major axis)에 따른 측방향 치수에 적용될 것임).
따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (25)

  1. 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 시스템으로서,
    연마 동작 동안 기판을 홀딩(hold)하도록 구성되는 기판 지지부;
    연마 패드(pad) 지지부;
    상기 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드 ― 상기 연마 패드는, 상기 연마 패드 지지부에 고정되는 상부(upper) 부분 및 상기 상부 부분으로부터 하향으로 돌출(project)되는 하부(lower) 부분을 갖고, 상기 상부 부분의 상부 표면은 상기 연마 패드 지지부에 인접해 있고, 상기 하부 부분의 최하부(bottom) 표면은, 연마 동안 상기 기판의 최상부(top) 표면에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공하고, 상기 접촉 표면은, 상기 기판의 상기 최상부 표면보다 작고, 상기 상부 부분은 제 1 측방향(lateral) 치수를 갖고, 상기 하부 부분은, 상기 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 가짐 ―; 및
    상기 기판 지지부와 상기 연마 패드 지지부 간에 상대적 모션(motion)을 생성하도록 구성되는 드라이브(drive) 시스템을 포함하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드 지지부는, 상기 연마 패드에 걸친 표면을 갖는 플레이트(plate)를 포함하고, 상기 연마 패드의 상부 부분의 실질적으로 모든 상부 표면이 상기 플레이트의 표면에 인접해 있는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드 지지부는 환형 부재(annular member)를 포함하고, 상기 연마 패드의 상부 부분에 대한 상부 표면의 둘레(perimeter) 부분은 상기 환형 부재에 인접해 있고, 상기 상부 표면 중 상기 둘레 부분 내의 나머지 상부 표면은 상기 연마 패드 지지부에 접촉하지 않는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 둘레 섹션(section)을 상기 패드 지지부 상에 홀딩하는 하나 또는 그 초과의 클램프(clamp)들을 더 포함하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 상부 부분은, 상기 접촉 표면 위의 상기 연마 패드의 섹션보다 큰 가요성(flexibility)을 갖는 플렉싱(flexing) 섹션을 포함하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 하부 부분의 상기 접촉 표면 상의, 슬러리(slurry) 수송을 위한 복수의 홈(groove)들을 더 포함하며,
    상기 복수의 홈들 중 적어도 일부는 상기 연마 패드의 하부 부분에 걸쳐 완전히 연장되는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드 지지부의 내부 챔버에 의해 형성되는 압력 챔버를 더 포함하며,
    상기 챔버는 기판-대면 개구부(substrate-facing opening)를 갖고, 상기 개구부는, 상기 연마 패드 지지부에 대한 상기 연마 패드의 커플링에 의해 시일링(seal)되는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  8. 연마 패드로서,
    패드 캐리어(carrier)에 대한 부착을 위한 상부 표면을 갖는 상부 부분 ― 상기 상부 부분은, 제 1 측방향 치수를 가짐 ―; 및
    상기 상부 부분으로부터 하향으로 돌출되는 하나 또는 그 초과의 하부 부분들을 포함하며,
    상기 하나 또는 그 초과의 하부 부분들의 최하부 표면은, 화학적 기계적 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공하고, 각각의 하부 부분은 상기 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 갖고,
    상기 하나 또는 그 초과의 하부 부분들로부터의 접촉 표면의 총 표면 면적은 상기 상부 표면의 표면 면적의 10%보다 크지 않은, 연마 패드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    적어도 상기 하부 부분은, 내부에 분포된 복수의 세공(pore)들을 갖고 실질적으로 균일한 조성으로 이루어지는 폴리머 바디(polymer body)인, 연마 패드.
  10. 제 8 항에 있어서,
    연마 층을 포함하며,
    하향으로 돌출되는 상기 하부 부분이 상기 연마 층에 형성되는, 연마 패드.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 하부 부분은 단일 돌출부로 이루어지는, 연마 패드.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 연마 층은, 연마 영역을 구성하는 측방향 섹션보다 얇은 가요성 측방향 섹션을 포함하는, 연마 패드.
  13. 화학적 기계적 연마 시스템으로서,
    연마 동작 동안 기판을 실질적으로 고정된 각 배향(angular orientation)으로 홀딩하도록 구성되는 기판 지지부;
    상기 기판의 반경보다 크지 않은 직경을 갖는 연마 패드를 홀딩하도록 구성되는 이동식 패드 지지부; 및
    상기 연마 패드가 상기 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안 상기 패드 지지부 및 상기 연마 패드를 궤도(orbital) 모션으로 이동시키도록 구성되는 드라이브 시스템을 포함하며,
    상기 궤도 모션은, 상기 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖고, 상기 연마 패드를 상기 기판에 관해 고정된 각 배향으로 유지하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연마 패드를 더 포함하며,
    상기 연마 패드는 상기 기판에 접촉하기 위한 접촉 영역을 갖고, 상기 접촉 영역의 직경은 상기 기판의 직경의 약 1 내지 10 %인, 화학적 기계적 연마 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 연마 패드를 더 포함하며,
    상기 연마 패드는 상기 기판에 접촉하기 위한 접촉 영역을 갖고, 상기 궤도 반경은 상기 접촉 영역의 직경의 약 5 내지 50 %인, 화학적 기계적 연마 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 드라이브 시스템은, 패드 지지부 헤드(head) 내의 리세스(recess), 상기 리세스 내로 연장되는 회전가능 캠(cam), 상기 캠을 회전시키기 위한 모터, 및 상기 패드 지지부 헤드의 회전을 방지하기 위해 상기 패드 지지부 헤드를 고정된 지지부에 커플링시키는 링키지(linkage)들을 포함하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  17. 화학적 기계적 연마 시스템으로서,
    연마 동작 동안 기판을 실질적으로 고정된 각 배향으로 홀딩하도록 구성되는 기판 지지부;
    상기 기판에 접촉하기 위한 접촉 영역을 갖는 연마 패드 ― 상기 접촉 영역은, 상기 기판의 반경보다 크지 않은 직경을 가짐 ―;
    상기 연마 패드를 홀딩하도록 구성되는 이동식 패드 지지부;
    상기 연마 패드의 접촉 영역이 상기 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안 상기 패드 지지부 및 상기 연마 패드를 궤도 모션으로 이동시키도록 구성되는 드라이브 시스템을 포함하며,
    상기 궤도 모션은, 상기 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖고, 상기 연마 패드를 상기 기판에 관해 고정된 각 배향으로 유지하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  18. 화학적 기계적 연마 방법으로서,
    기판의 반경보다 크지 않은 직경을 갖는 접촉 영역에서 연마 패드를 상기 기판과 접촉시키는 단계;
    상기 연마 패드의 접촉 영역이 상기 기판의 상부 표면과 접촉해 있는 동안 상기 연마 패드와 상기 기판 간에 상대적 모션을 생성하는 단계 ― 상기 상대적 모션은, 상기 연마 패드의 직경보다 크지 않은 궤도 반경을 갖는 궤도 모션을 포함함 ―; 및
    상기 궤도 모션 동안 상기 연마 패드를 상기 기판에 관해 실질적으로 고정된 각 배향으로 유지하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 궤도 모션 동안, 상기 기판을 고정된 측방향 포지션에 홀딩시키는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 궤도 모션의 순간 속도의 약 5%보다 크지 않은 속도로 상기 궤도 모션 동안 상기 기판에 걸쳐 측방향으로 상기 연마 패드를 스위핑(sweep)시키는 단계를 더 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법.
  21. 화학적 기계적 연마 시스템으로서,
    연마 동작 동안 실질적으로 원형 기판을 홀딩하도록 구성되는 기판 지지부;
    연마 패드 지지부;
    상기 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드 ― 상기 연마 패드는 아크 형상(arc-shaped) 접촉 영역을 갖고, 상기 아크 형상 접촉 영역에 의해 규정되는 아크의 중심점은, 상기 기판 지지부에 의해 홀딩되는 상기 기판의 중심과 실질적으로 정렬됨 ―; 및
    상기 기판 지지부와 상기 연마 패드 지지부 간에 상대적 모션을 생성하도록 구성되는 드라이브 시스템을 포함하는, 화학적 기계적 연마 시스템.
  22. 연마 어셈블리로서,
    연마 패드 지지부 ― 상기 연마 패드 지지부는, 환형 부재, 및 기판-대면 개구부를 갖는 리세스를 포함함 ―; 및
    상기 패드 지지부에 의해 홀딩되는 연마 패드를 포함하며,
    상기 연마 패드는 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 연마 표면을 갖고,
    상기 연마 패드의 둘레 부분은 상기 환형 부재에 수직적으로 고정되고, 상기 연마 패드 중 상기 둘레 부분 내의 나머지 연마 패드는 수직적으로 자유로우며, 그리고
    상기 연마 패드 지지부의 기판-대면 개구부는, 가압가능(pressurizable) 챔버를 규정하여 상기 연마 패드의 후면 표면 상에 조절가능 압력을 제공하도록 상기 연마 패드에 의해 시일링되는, 연마 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 연마 패드 지지부는, 베이스(base), 및 상기 베이스에 고정되는 멤브레인(membrane)을 포함하며,
    상기 베이스와 상기 멤브레인 간의 용적(volume)은, 상기 멤브레인의 외부 표면이 상기 연마 패드의 후면 표면 상에 제 2 조절가능 압력을 제공하도록, 제 2 가압가능 챔버를 규정하는, 연마 어셈블리.
  24. 연마 패드로서,
    패드 캐리어에 대한 부착을 위한 상부 표면을 갖는 상부 부분 ― 상기 상부 부분은, 제 1 측방향 치수를 가짐 ―;
    상기 상부 부분으로부터 하향으로 돌출되는 하나 또는 그 초과의 하부 부분들 ― 상기 하나 또는 그 초과의 하부 부분들의 최하부 표면은 화학적 기계적 연마 동안 기판에 접촉하기 위한 접촉 표면을 제공하고, 각각의 하부 부분은, 상기 상부 부분이 상기 하부 부분의 모든 측방향 측부들을 지나 돌출되도록, 상기 제 1 측방향 치수보다 작은 제 2 측방향 치수를 가짐 ―; 및
    상기 패드 캐리어로부터의 돌출부들을 수용하기 위한, 상기 상부 부분의 상부 표면의 복수의 애퍼쳐(aperture)들을 포함하며,
    상기 애퍼쳐들은, 상기 하부 부분의 외향으로의 측방향으로 상기 연마 패드의 상부 부분의 섹션에 포지셔닝되는, 연마 패드.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 애퍼쳐들은, 상기 연마 패드의 모서리(corner)들에 포지셔닝되는, 연마 패드.
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