KR20170043749A - 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마정반 조립체에 관한 것으로, 웨이퍼의 연마 공정에 사용되는 연마정반 조립체로서, 회전 중앙부에 설치된 제1정반체와; 상기 제1정반체의 둘레에 위치하고, 상면에 연마 패드가 입혀진 제2정반체와; 상기 제2정반체의 둘레에 설치된 제3정반체와; 상기 제1정반체와 상기 제2정반체와 상기 제3정반체 중 어느 하나 이상의 높이를 조절하는 높이 조절부를; 포함하여 구성되어, 웨이퍼가 접촉하는 제2정반체의 연마 패드의 상면이 다른 제1정반체와 제3정반체에 비하여 보다 높게 조절되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 접촉하는 접촉 영역이 주변에 비하여 돌출 형성됨에 따라, 웨이퍼의 둘레를 감싸는 캐리어 헤드의 리테이너 링이 연마 패드를 가압하더라도, 리테이너 링에 의한 눌림 변형에 의해 눌려진 연마 패드가 제1정반체와 제3정반체를 향하여 개방되어 쉽게 변형이 허용되어, 눌림 변형에 의해 연마 패드의 유동을 보다 원활하게 유도하여, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량이 리바운드 변형에 영향을 받지 않고 정상적으로 이루어질 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마정반 조립체를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND POLISHING TABLE ASSEMBLY USED THEREIN}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체로서, 상세하게는 웨이퍼의 가장자리 영역에서 리테이너 링의 눌림에 의한 연마 패드의 리바운드 변형에 의하여 웨이퍼 가장자리가 연마 패드에 밀착된 상태를 유지하지 못하여 단위 시간당 연마량이 불규칙적이고 연마두께의 제어가 곤란한 문제점을 해결한 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체이다.
화학기계적 연마(CMP) 장치(1)는 반도체소자 제 조과정 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 화학 기계적 연마(CMP) 장치(1)는, 도1에 도시된 바와 같이 캐리어 헤드(20)는 연마공정 중에웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(11)와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전시키고, 동시에 연마 패드(11)도 자전하면서 기계적 연마 공정을 행하도록 한다. 동시에 연마 패드(11) 상에 슬러리 공급부(30)로부터 슬러리가 연마 패드(11) 상에 공급되면, 슬러리가 웨이퍼(W)로 유입되면서 웨이퍼(W)의 화학적 연마 공정이 행해진다.
일반적으로 캐리어 헤드(20)는 도3에 도시된 바와 같이 외부의 구동 수단에 의하여 회전 구동하는 본체부(21)와, 본체부(21)에 결합하여 그 사이에 압력 챔버(C)를 형성하는 가요성 재질의 멤브레인(23)과, 웨이퍼(W)를 연마 패드(11) 상에 가압하는 멤브레인(23)의 바닥판의 바깥 둘레를 감싸게 형성되어 연마 패드(11)에 접촉한 상태를 유지하여 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하는 리테이너 링(24)으로 구성된다.
여기서, 멤브레인(23)은 링 형태의 격벽(233)이 바닥판(231)으로부터 연장 형성되어 본체부(21)에 결합되므로, 본체부(21)와 바닥판(231)의 사이에 다수로 분할된 압력 챔버(C)를 형성한다.
그리고, 컨디셔너(40)는 회전하는 컨디셔닝 디스크(41)로 연마 패드(11)의 표면을 개질하면서 선회 운동을 하여, 연마 패드(11) 상에 공급된 슬러리는 연마 패드(11)의 미세홈을 통해 캐리어 헤드(20)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)로 원활히 공급될 수 있게 된다.
연마 패드(11)는 연마 정반(12)의 상면에 입혀진 상태로 회전(11d)하여, 캐리어 헤드(20)에 의하여 가압되면서 회전하는 웨이퍼(W)의 연마층을 기계적으로 연마한다. 즉, 압력 제어부(25)로부터 각 압력 챔버(C)에 공급되는 공압에 의하여 압력 챔버(C)가 팽창하면서, 압력 챔버(C)의 멤브레인 바닥판(231)을 통해 웨이퍼(W)를 가압하고, 본체부(21)의 회전에 따라 웨이퍼(W)를 회전 구동하면서 화학 기계적 연마 공정을 행한다.
여기서, 웨이퍼(W)는 자전하면서 회전하는 연마 패드(11)에 가압되는 상태로 연마되므로, 마찰에 의하여 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 튀어나가려는 힘이 작용하게 된다. 웨이퍼(W)를 하방 가압하는 캐리어 헤드(20)의 가압력에 의하여 웨이퍼(W)가 바깥으로 튀어나가는 것이 방지되지만, 물리적으로는 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너 링(24)이 연마 패드(11)를 가압(Pr)한 상태로 함께 회전하여 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)로부터 이탈하는 것을 방지한다.
그러나, 도4에 도시된 바와 같이, 리테이너 링(24)이 하방으로 가압하는 힘(Pr)이 연마 패드(11)를 가압함에 따라, 리테이너 링(24)이 가압하는 영역(24x)에서는 연마 패드(11)가 눌려 변형되고, 눌려 변형된 가압 영역(24x)의 주변 영역(99x)은 연마 패드(11)의 눌림 변형을 상쇄시키기 위하여 볼록 솟은 리바운드 변형(99)이 발생된다.
이와 같은 연마 패드(11)의 리바운드 변형(99)을 해소하기 위하여, 멤브레인 측면(232)의 상측에 가압 챔버(Cx)를 형성하여, 가압 챔버(Cx)의 저면을 형성하는 경사면에 전달되는 힘(Fcx)의 수직 방향 성분을 전달 부재(239)를 통해 하방으로 유도하여 멤브레인 측면(232)을 따라 웨이퍼 가장자리 끝단을 가압하는 시도가 행해진다.
그러나, 멤브레인 측면(232)을 따라 가압력(Fv)을 웨이퍼 가장자리 끝단에 도입하더라도, 연마 패드(11)의 리바운드 변형(99)에 의하여 리테이너 링(24)과 인접한 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단이 연마 패드(11)와 밀착되어 접촉 상태를 유지하지 못하므로, 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단에서 되튀어오르는 리바운드 변형(99)에 의해 국부적으로 높은 가압력이 작용하여, 연마량(removal rate)이 급격히 높아지거나 연마량을 제어하는 것이 곤란해지는 문제가 야기된다.
따라서, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에 대해서도 중심부와 동등한 수준의 연마 공정을 행할 수 있는 방안의 필요성이 절실히 대두되고 있다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링이 연마 패드를 가압하여 연마 패드의 눌림 변형이 발생되더라도, 웨이퍼의 가장자리 끝단에서의 연마량을 정확하게 제어할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치 및 연마 장치용 연마 정반 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리테이너 링에 의한 연마 패드의 눌림 변형에도 웨이퍼의 판면 전체에 걸쳐 균일한 가압력이 도입될 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 가장자리 끝단에서도 의도한 연마량 만큼 연마되어 연마 두께를 정확히 제어할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 연마 공정에 사용되는 연마정반 조립체로서, 회전 중앙부에 설치된 제1정반체와; 상기 제1정반체의 둘레에 위치하고, 상면에 연마 패드가 입혀진 제2정반체와; 상기 제2정반체의 둘레에 설치된 제3정반체와; 상기 제1정반체와 상기 제2정반체와 상기 제3정반체 중 어느 하나 이상의 높이를 조절하는 높이 조절부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 연마정반 조립체를 포함하여 구성된다.
여기서, 웨이퍼가 접촉하는 정반체는 연마 패드가 입혀진 제2정반체의 연마패드일 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 높이 조절부에 의하여 조절되는 정반체는 제4정반체, 제5정반체 등을 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우에 웨이퍼가 접촉하는 정반체는 높이 조절부에 의하여 조절되는 어느 하나 이상의 정반체로 정해질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 연마 정반 조립체는 제2정반체와 제1정반체의 사이 또는 제2정반체와 제3정반체의 사이에 또 다른 제4정반체와 제5정반체 중 어느 하나 이상이 포함되는 구성을 포함한다.
이와 같이, 웨이퍼가 접촉하는 제2정반체의 연마 패드의 상면이 다른 제1정반체와 제3정반체에 비하여 보다 높게 조절되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 접촉하는 접촉 영역이 주변에 비하여 돌출 형성됨에 따라, 웨이퍼의 둘레를 감싸는 캐리어 헤드의 리테이너 링이 연마 패드를 가압하더라도, 리테이너 링에 의한 눌림 변형에 의해 눌려진 연마 패드가 제1정반체와 제3정반체를 향하여 개방되어 쉽게 변형이 허용되어, 눌림 변형에 의해 연마 패드의 유동을 보다 원활하게 유도할 수 있다.
무엇보다도, 상기와 같이 구성된 상태에서, 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 한 순간이라도, 상기 제2정반체의 외주 경계와 내주 경계 중 어느 하나 이상이 상기 웨이퍼를 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링의 저면과 맞닿는 위치에 있게 된다.
이를 통해, 본 발명은, 리테이너 링의 가압력에 따른 리바운드 변형이 리테이너 링의 바깥(웨이퍼를 향하는 방향의 반대 방향)으로 유도됨으로써, 리테이너 링과 웨이퍼의 사잇 공간에서는 연마 패드가 되튀어오르는 리바운드 변형이 억제되어, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량이 리바운드 변형에 영향을 받지 않고 정상적으로 이루어질 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 웨이퍼와 접촉하는 정반체에는 웨이퍼의 연마면을 연마하기 위한 연마 패드가 입혀진다. 웨이퍼와 제2정반체가 접촉하는 경우에는, 상기 제2정반체의 상면에 제2연마 패드가 입혀지고, 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼의 판면이 상기 제2연마패드에 접촉한다.
한편, 상기 제2연마 패드는 상기 제2정반체의 외주 경계에서 반경 방향으로의 하향 경사면으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 리테이너 링의 가압력에 의하여 제2연마 패드가 눌림 변형되는 영역의 일부 또는 그 바깥 영역이 경사면으로 형성되어, 리테이너 링에 의하여 눌림 변형된 연마 패드가 하향 경사면이 형성된 영역으로 이동하도록 유도되면서, 동시에 리테이너 링에 의한 눌림 변형에 높은 저항을 할 수 있게 되어 눌림 변형량을 어느정도 작게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
이 때, 상기 경사면은 평탄면에 대하여 20도 내지 75도의 경사도로 형성되는 것이 바람직하다. 경사면이 평탄면에 대하여 20도 미만인 경우에는 눌림 변형된 연마 패드가 경사면으로 이동하도록 유도되는 효과가 작으며, 경사면이 평탄면에 대하여 75도를 초과하면 리테이너 링에 의하여 눌려 눌림 변형량이 커지는 문제가 있기 때문이다.
한편, 상기 접촉 영역과 상기 주변 영역의 사이는 연직면으로 형성될 수도 있다.
상기 높이 조절부는 상기 제1정반체와 상기 제3정반체의 높이를 함께 조절하게 구성될 수도 있다. 즉, 웨이퍼의 연마면이 접촉하는 제2정반체의 상면이 제1정반체와 제3정반체에 비하여 더 높게 조절할 할 수 있으면 충분하므로, 높이 조절부에 의하여 제1정반체와 제3정반체의 높이 조절이 동기화된 상태로 제어될 수도 있다.
다만, 제1정반체와 제3정반체의 높이가 조절되는 것에 의하여 제2연마패드의 반경 내측과 반경 외측에서의 눌림 탄성량을 서로 다르게 조절할 수도 있다.
이 때, 상기 높이 조절부는 상기 제1정반체와 상기 제3정반체의 높이를 동일하게 조절할 수도 있다.
그리고, 상기 제1정반체와 상기 제3정반체는 높이 고정되고, 상기 제2정반체의 높이만 상기 높이 조절부에 의하여 상하로 조절될 수도 있다. 이와 같이, 웨이퍼의 연마면이 접촉하는 제2정반체의 상면 높이를 조절하는 것에 의해, 웨이퍼가 접촉하는 제2연마패드 가장자리의 일부 또는 전부가 모두 드러나도록 함으로써, 제2연마패드의 가장자리에서의 횡방향으로의 눌림 탄성량이 조절될 수 있다.
한편, 상기 제1정반체와 상기 제2정반체와 상기 제3정반체는 회전 가능하게 설치된 기초 정반체의 상면에 설치되어 함께 회전하게 구성될 수 있다. 이에 의하여, 각각의 정반체를 상하로 높이 조절하는 구성을 설치하는 것이 용이해지는 잇점을 얻을 수 있다.
이 때, 상기 제1정반체와 상기 제3정반체는 상기 기초 정반체와 일체로 형성되거나 위치 고정되고, 제2정반체만 상하로 이동되게 구성될 수도 있다.
이와 유사하게, 제2정반체는 상기 기초 정반체와 일체로 형성되거나 위치 고정되고, 제1정반체와 제3정반체를 상하로 이동할 수 있게 조정하여, 웨이퍼의 연마면이 접촉하는 제2연마패드의 가장자리가 공기 중에 들뜨는 형태로 드러나게 조정될 수도 있다.
한편, 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 제2연마패드의 외주 경계까지의 제1거리와 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 제2연마패드의 내주 경계까지의 제2거리는 15% 이하의 편차 범위로 유지되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 연마 정반 조립체에 대하여 왕복 오실레이션 운동을 하는 동안에도, 리테이너 링에 의하여 제2연마패드를 가압하는 가압력에 의하여 제2연마패드의 되튀어오르는 변형에 의하여 웨이퍼의 가장자리에 과도한 가압력이 도입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 캐리어 헤드가 화학 기계적 연마 공정 중에 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 오실레이션 이동하더라도, 웨이퍼 가장자리에서 제2연마패드의 리바운드 변형에 의해 가압력이 작용하는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 제2정반체의 반경 방향으로의 길이는 상기 웨이퍼의 직경 이상이고 상기 웨이퍼를 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링의 직경 이하로 정해지는 것이 바람직하다. 이를 통해, 웨이퍼의 전체 표면은 항상 제2연마 패드의 평탄면에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지며, 리테이너 링에 의하여 눌린 연마 패드는 리테이너 링에 걸쳐있는 접촉 영역의 바깥 경계에서 바깥 방향으로 유동하여 부풀어오르는 리바운드 변형이 일어남으로써, 리테이너 링의 눌림 변형에 따른 리바운드 변형이 리테이너 링의 바깥 위치에서 발생되도록 신뢰성있게 유도할 수 있다.
한편, 본 발명은, 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너 링이 형성되고, 상기 웨이퍼를 하방 가압하면서 회전 구동하는 캐리어 헤드와; 전술한 구성의 화학 기계적 연마 장치용 연마정반 조립체를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이 때에도, 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 한 순간이라도, 상기 제2정반체의 외주 경계와 내주 경계 중 어느 하나 이상이 상기 웨이퍼를 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링의 저면과 맞닿는 위치에 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 외주 경계까지의 제1거리와 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 내주 경계까지의 제2거리는 15% 이하의 편차 범위로 유지될 수 있다. 이를 통해, 상기 캐리어 헤드는 화학 기계적 연마 공정 중에 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 오실레이션 이동하더라도,리테이너 링의 가압력에 의해 제2연마패드의 리바운드 변형에 의해 웨이퍼의 가장자리에 비정상적으로 높은 가압력이 도입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2정반체의 반경 방향으로의 길이는 상기 웨이퍼의 직경에 비하여 크게 형성된다.
본 발명에 따르면, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 접촉하는 제2연마패드가 높이 조절되는 제2정반체에 의하여 주변보다 더 돌출된 평탄면으로 조절됨에 따라, 웨이퍼의 둘레를 감싸는 캐리어 헤드의 리테이너 링이 연마 패드를 큰 힘으로 가압하더라도, 리테이너 링에 의하여 눌린 연마 패드가 리테이너 링의 바깥으로 유동하도록 유도됨으로써, 리테이너 링과 웨이퍼의 사잇 공간에서는 연마 패드가 되튀어오르는 리바운드 변형이 억제되어, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마량이 리바운드 변형에 영향을 받지 않고 웨이퍼 가장자리 영역에서도 웨이퍼 중앙부와 마찬가지로 동일한 수준의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링이 접촉하는 영역에서 연마 패드의 눌림 변형에 따라 그 주변에서의 리바운드 변형에 의해 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량이 낮아지는 종래의 문제점을 해소할 수 있으며, 웨이퍼 가장자리에서의 단위 시간당 연마량을 정확하게 제어할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 웨이퍼가 접촉하는 접촉 영역의 바깥에 하향 경사면을 반경 방향으로 형성함에 따라, 리테이너 링의 가압에 의한 눌림 변형의 증가폭은 억제하면서도, 리테이너 링의 가압에 의하여 되튀어오르는 리바운드 변형을 리테이너 링의 바깥에서 이루어지게 유도하여, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마 품질을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치를 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도1의 캐리어 헤드의 반단면도,
도4는 도3의 'A'부분의 확대도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도6은 도5의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 따른 종단면도,
도7은 도6의 절단선 Ⅶ-Ⅶ에 따른 횡단면도,
도8은 도6의 'B'부분의 확대도,
도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 종단면도,
도10은 도9의 'C'부분의 확대도이다.
이하, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(100, 100') 및 이에 사용되는 연마 정반 조립체(110, 110')을 상술한다. 다만, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연마 장치(100)는 표면에 입혀진 연마 패드(111p, 112p, 112p', 113p; 110p)가 입혀지고 자전하는 연마정반 조립체(110)와, 연마 패드(110p) 상에 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전시키는 캐리어 헤드(20)와, 연마정반 조립체(110) 중 웨이퍼(W)가 접촉하는 제2연마패드(112p, 112p')에 슬러리를 도포하는 슬러리 공급부(30)와, 웨이퍼(W)가 접촉하는 제2연마패드(112p, 112p')의 표면을 컨디셔닝 디스크(41)로 가압하면서 개질하는 컨디셔너(40)를 포함하여 구성된다.
도면에는 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 장치로서 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(30) 및 제2연마패드(112p, 112p')를 개질하는 컨디셔너(30)가 도시되어 있지만, 화학적 연마를 행하지 않는 연마 장치인 경우에는 슬러리 공급부(30) 및 컨디셔너(30)가 포함되지 않을 수도 있다.
상기 연마정반 조립체(110, 110')는 회전축(119a)에 의하여 회전(110d) 구동되는 기초 정반체(119)와, 기초 정반체(119)의 회전 중심에서 제1높이조절부(M1)에 의하여 상하 높이 조절되는 제1정반체(111)와, 제1정반체(111)의 반경 외측에 도넛 형태로 형성되어 제2높이 조절부(M2)에 의하여 기초 정반체(119)에 대해 상하 높이 조절되는 제2정반체(112)와, 제2정반체(112)의 반경 외측에 도넛 형태로 형성되어 제3높이 조절부(M3)에 의하여 기초 정반체(119)에 대해 상하 높이 조절되는 제3정반체(113)를 포함하여 구성된다.
도면에는 3개의 정반체(111, 112, 113)가 높이 조절부(M1, M2, M3; M)에 의하여 상하 높이가 조절되는 구성이 예시되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 제2정반체(112)만 상하 이동하고 제1정반체(111) 및 제3정반체(113)는 기초 정반체(119)에 위치 고정되어 상하 이동되지 않거나 기초 정반체(119)에 일체로 형성될 수도 있다.
이와 유사하게, 제2정반체(112)의 높이가 고정되게 기초 정반체(119)에 설치되고, 제1정반체(111)와 제3정반체(113)의 높이가 조절되게 구성될 수 있다. 어떠한 형태로 구성되든, 본 발명에 따른 연마정반 조립체(110)는 연마 공정 중에 제2정반체(112)의 상면 높이가 제1정반체(111) 및 제3정반체(113)에 비하여 더 높게 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도면에 도시되지 않았지만, 제1정반체(111)와 제2정반체(112)의 사이에 또 다른 정반체가 배치될 수도 있다. 이와 유사하게, 제2정반체(112)와 제3정반체(113)의 사이에도 다른 정반체가 배치될 수도 있다. 그리고, 웨이퍼(W)의 연마면이 접촉하는 제2정반체(112)는 2개 이상으로 구분되어 형성되는 것을 포함한다.
상기 높이 조절부(M)는 각각의 정반체(111, 112, 113)를 균형있게 지지하도록 45도 내지 120도 간격으로 배치된 지지 봉(미도시)을 리니어 모터의 원리를 이용하여 상하 방향으로 이동 구동시킨다. 이 때, 다수의 지지 봉을 동시에 상하 방향으로 이동시키도록 각각의 정반체(111, 112, 113)를 이동 구동하는 리니어 모터는 동시에 하나의 정반체를 상하 이동시킨다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 높이 조절부(M)는 리니어 모터의 원리를 이용하여, 기초 정반체(119)에 대하여 각 정반체(111, 112, 113)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있다. 또는, 높이 조절부(M)는 유압이나 공압을 이용하여 각 정반체(111, 112, 113)를 상하 방향으로 이동 구동시킬 수 있다. 이와 같이 공지된 다양한 직선 이동 구동 방식에 의해 각 정반체(111, 112, 113)를 독립적으로 상하 이동시킨다.
높이 조절부(M)에 의하여 각 정반체(111, 112, 113)의 높이가 정교하게 조절되도록 위치 제어를 정확하게 할 수 있는 리니어 모터를 이용한 구동 방식이 바람직하다.
상기 정반체(111, 112, 113)의 상면에는 연마 패드(111p, 112p, 112p', 113p)가 입혀져, 웨이퍼(W) 연마면과 마찰 접촉한다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(w)의 연마면이 접촉하는 제2정반체(112)의 상면에만 제2연마 패드(112p, 112p')가 입혀질 수도 있다.
여기서 기초 정반체(119)은 외부 진동에 의하여 영향을 받지 않을 만큼의 두께를 갖는 원판 형태로 형성되고, 원판의 중앙부에 연장된 회전축(119a)이 구동 모터(미도시)에 의하여 회전(110d) 구동된다.
그리고, 기초 정반체(119)를 매개로 설치되는 제1정반체(111), 제2정반체(112), 제3정반체(113)가 이탈하는 것을 방지하도록 제3정반체(113)를 감싸는 링 형태의 돌기부(119x)가 형성된다.
도7에 도시된 바와 같이, 반경 바깥으로 돌출 형성된 제3정반체(113)의 돌기(113a)가 연직 방향으로 요입 형성된 기초 정반체(119)의 수용홈에 수용되고, 반경 바깥으로 돌출 형성된 제2정반체(112)의 돌기(112a)가 연직 방향으로 요입 형성된 제3정반체(113)의 수용홈에 수용되고, 반경 바깥으로 돌출 형성된 제1정반체(111)의 돌기(111a)가 연직 방향으로 요입 형성된 제2정반체(112)의 수용홈에 수용된다. 이에 따라, 각각의 정반체(111, 112, 113)는 높이 구동부(M1, M2, M3)에 의하여 독립적으로 상하 이동(111d, 112d, 113d)되면서도, 돌기와 수용홈의 맞물림에 의해 기초 정반체(119)의 회전 구동력이 각 정반체(111, 112, 113)에 전달됨으로써, 연마정반 ㅈ조립체(111, 112, 113, 119; 110)가 일체로 회전 구동된다.
그리고, 연마 패드(110p)는 정반체(111, 112, 113) 상에 입혀지며 웨이퍼(W)의 공정면과 마찰에 의하여 기계적 연마 작용을 할 수 있는 재료로 형성된다. 대체로 연마 패드(110p)는 정반체(111, 112, 113)에 비하여 연질의 재료로 형성되어, 웨이퍼(W)나 캐리어 헤드(20)의 리테이너 링(24)에 의하여 가압되면 하방으로 눌림 변형이 발생된다.
여기서, 제2정반체(112)의 상면에 형성되는 제2연마패드(112p, 112p')는 도6에 도시된 바와 같이 반경 내측 끝단과 반경 외측 끝단이 연직면으로 형성될 수도 있고, 도9에 도시된 바와 같이 반경 내측 끝단과 반경 외측 끝단이 하향 경사면(112s')으로 형성될 수도 있다.
한편, 웨이퍼(W)의 연마면이 접촉하는 제2정반체(112)의 반경 방향으로의 길이(L2)는 웨이퍼(W)의 직경(dw)에 비하여 더 크게 형성된다. 이에 의해, 연마 공정 중에 웨이퍼(W) 연마면이 제2연마패드(112p, 112p')에 접촉하는 상태를 유지하여, 웨이퍼 연마면이 균일하게 연마될 수 있도록 한다.
그리고, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼는 일정한 간격으로 왕복 오실레이션 운동(20x)을 하는 경우에도, 웨이퍼(W)의 연마면은 평탄한 제2연마패드(112p, 112p')에 접촉된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
그리고, 웨이퍼(W)를 회전시키면서 가압하는 캐리어 헤드(20)의 리테이너 링(24)의 저면은, 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 한 순간이라도, 제2연마패드(112p)의 내주 경계(내측 반경 끝단)와 외주 경계(외측 반경 끝단)에 걸쳐져 있거나 제2연마패드(112p')의 평탄한 접촉 영역(112c)과 하향 경사면(112s')의 경계(112s)에 맞닿는 위치에 있는다. 여기서, '어느 한 순간'이라 함은, 연마 공정 중에 웨이퍼(W)가 3mm 내지 50mm 범위의 왕복 오실레이션 운동을 하는 경우에 리테이너 링(24)이제2연마패드(112p, 112p')에 대하여 이동하므로, 리테이너 링(24)의 저면이 제2연마패드(112p)의 경계나 평탄면(112c)과 하향 경사면(112s')의 경계(112s)에 위치하는 순간이 주기적으로 또는 순간적으로 도달한다는 것을 의미한다.
도9에 도시된 바와 같이, 제2연마 패드(112p')의 가장자리에 하향 경사면(112s)이 형성된 구성에서는, 제2연마패드(112p')의 상면은 연마 공정 중에 캐리어 헤드(20)에 의하여 가압되면서 자전하는 웨이퍼(W)와 접촉하는 접촉 영역(112c)과, 접촉 영역(112c)의 바깥에 위치한 주변 영역(112j)으로 나뉘며, 접촉 영역(112c)은 주변 영역(112j)에 비하여 보다 높게 돌출된 평탄면을 형성한다.
여기서, 평탄한 접촉 영역(112c)은 반경 방향으로의 길이(L)가 웨이퍼(W)의 직경(Dw)과 동일하거나 더 크게 형성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 공정면이 접촉 영역(112c)과 접촉하면서 연마 공정이 행해지도록 한다. 이 때, 접촉 영역(112c)의 반경 방향으로의 길이(L)는 리테이너 링(24)의 외경(Dr)의 크기와 동일하거나 더 작게 형성될 수 있다. 이를 통해, 리테이너 링(24)이 연마 패드(110p)를 가압하는 동안에 접촉 영역(112c) 바깥으로 눌림 변형된 연마 패드(110p)가 유동하여, 리테이너 링(24)과 웨이퍼(W)의 사이에 리바운드 변형(99i)이 크게 발생되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 접촉 영역(112c)의 길이(L)는 캐리어 헤드(20)의 리테이너 링(24)의 저면 일부 이상이 접촉 영역(112c)의 가장자리에 접촉한 상태가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 캐리어 헤드(20)가 왕복 오실레이션 운동(20x)을 하는 경우에는 리테이너 링(24)의 저면이 적어도 연마 공정 중에 접촉 영역(112c)의 가장자리를 가압하도록 위치한다.
이에 따라, 리테이너 링(24)의 가압에 의하여 제2연마 패드(112p')의 가장자리에는 눌림 변형이 발생되므로, 접촉 영역(112c)이 인접한 제1정반체(111)와 제3정반체(113)의 상면에 비하여 돌출된 높이(h)는 리테이너 링(24)에 의한 눌림 변형량의 0.5배 내지 10배의 범위 내에서 정해지는 것이 바람직하다.
한편, 도10에 도시된 바와 같이, 제2연마패드(112p')의 접촉 영역(112c)의 바깥에는 하향 경사면(112s')이 형성된다. 이 때, 하향 경사면(112s')은 접촉 영역(112c)의 평탄면에 대하여 20도 내지 75도의 경사도(112ang)로 형성되는 것이 바람직하다. 경사면(112s')이 평탄면에 대하여 20도 미만인 경우에는 눌림 변형된 연마 패드(112p')가 경사면(112s')으로 이동하도록 유도되는 효과가 작으며, 경사면(112s')이 평탄면에 대하여 75도를 초과하면 리테이너 링(24)에 의하여 눌려 눌림 변형량이 커지는 문제가 있기 때문이다.
이와 같이, 접촉 영역(112c)의 바깥에 하향 경사면(112s')이 형성된 경우에는, 도10에 도시된 바와 같이, 연마 공정 중에 멤브레인(23)의 바닥판에 의하여 웨이퍼(W)를 가압하고, 동시에 웨이퍼(W)의 둘레에 배치된 리테이너 링(24)이 연마 패드(112p')를 가압(Pr)하면, 연마 패드(112p')는 리테이너 링(24)의 가압력에 의하여 하방으로 눌림 변형이 발생된다. 그리고 눌림 변형된 연마 패드(112p')는 리테이너 링(24)의 반경 내측과 반경 외측으로 유동하려는 성질을 갖는데, 리테이너 링(24)의 내측(웨이퍼가 있는 쪽)의 제2연마패드(112p')의 단면이 리테이너 링(24)의 외측(하향 경사면이 있는 쪽)의 제2연마패드(112p')의 단면이 더 작으므로, 눌려 변형된 연마 패드는 유동 저항이 낮은 리테이너 링의 외측을 향하는 방향(88)으로 보다 많은 양이 유동하게 된다.
이에 따라, 리테이너 링(24)의 내측과 외측에 각각 되튀어오르는 리바운드 변형(99i, 99e)이 발생되지만, 리테이너 링(24)에 의하여 눌린 연마 패드(110p)는 대부분 저항이 낮은 하향 경사면(112s')을 향하여 이동하므로, 리테이너 링(24)의 내측에서 웨이퍼(W)의 사잇 공간 및 웨이퍼(W)의 하측에 발생되는 리바운드 변형(99i)은 매우 작은 크기로만 발생되고, 그 대신 리테이너 링(24)의 외측의 하향 경사면에 대부분의 큰 크기로 리바운드 변형(99e)이 발생된다. 그러나, 리테이너 링(24)의 외측에 형성되는 리바운드 변형(99e)은 하향 경사면 상에 발생되므로, 리테이너 링(24)의 가압력(Pr)을 방해하거나 웨이퍼(W)의 연마 상태에 영향을 미치지 않는다.
더욱이, 제2정반체(112)는 인접한 제1정반체(111) 및 제3정반체(113)에 비하여 보다 높게 솟은 상태로 유지되어 측면(112y)이 개방된 상태이므로, 하향 경사면(112s')으로 리바운드 변형(99e)이 발생되는 데에 반경 방향으로 저항이 거의 없는 상태가 되어, 리테이너 링(24)의 가압(Pr)에 따른 제2연마패드(112p)의 리바운드 변형은 하향 경사면(112s') 상에 대부분 발생된다. 따라서, 리테이너 링(24)과 웨이퍼(W)의 사잇 공간 또는 웨이퍼(W)의 하측에 발생되는 내측의 리바운드 변형(99i)은 매우 작은 크기로 발생되므로, 웨이퍼(W)의 연마 공정에 영향을 미치지 않게 된다.
도면 중 미설명 부호인 112j는 제2연마패드(112p)가 리테이너 링(24)에 의하여 가압되어 눌림 변형이 발생되지 않은 상태의 윤곽을 나타낸 것이다.
한편, 도8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2정반체(112)의 상면에 입혀진 제2연마패드(112p)는 접촉 영역(112c)의 반경 내측 및 외측에 하향 경사면(112s')이 형성되는 대신에 측면(112y)이 연직면으로 형성될 수도 있다.
이 경우에도 전술한 실시예와 마찬가지로, 리테이너 링(24)의 가압(Pr)에 의하여 눌린 제2연마 패드(112p)가 되튀어오르는 리바운드 변형에 의하여, 유동 저항이 낮은 리테이너 링(24)의 바깥쪽으로 유동(88)하여, 눌림 변형에 의하여 주변이 되튀어오르는 리바운드 변형(99i, 99e) 중 리테이너 링(24) 내측의 리바운드 변형(99i)의 크기는 작고, 리테이너 링(24) 외측의 리바운드 변형(99e)은 크게 된다.
이 경우에는, 도10에 도시된 구성에 비하여, 제2연마패드(112p)가 리테이너 링(24)의 외측으로 유동하는 유동저항이 보다 더 작으므로, 리테이너 링(24)과 웨이퍼(W)의 사이에 발생되는 리바운드 변형(99i)이 더 작아지는 잇점이 있다. 그러나, 리테이너 링(24)의 가압력(Pr)에 저항하는 연마 패드(24)의 단면이 작아져 눌림 변형량이 보다 크게 발생되므로, 눌림 변형량에 제한이 적은 경우에 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드의 리테이너 링(24)이 연마 패드(110p)를 큰 힘으로 가압하더라도, 리테이너 링(24)에 의하여 눌린 연마 패드(110p)의 리바운드 변형(99i, 99e)에 영향을 받지 않고 웨이퍼 가장자리 영역에서도 웨이퍼 중앙부와 마찬가지로 동일한 수준의 연마 공정을 행할 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. 즉, 본 발명의 다양한 실시 형태의 일부분을 서로 조합한 구성도 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 본 발명에 해당한다는 것은 자명하다.
W: 웨이퍼 C: 압력 챔버
20: 캐리어 헤드 24: 리테이너 링
200: 화학 기계적 연마 장치 110: 연마정반 조립체
111: 제1정반체 112: 제2정반체
112p, 112p': 제2연마패드 112s: 측면
112s': 하향 경사면 113: 제3정반체
119: 기초 정반체

Claims (19)

  1. 웨이퍼의 연마 공정에 사용되는 연마정반 조립체로서,
    회전 중앙부에 설치된 제1정반체와;
    상기 제1정반체의 반경 외측에 위치하는 제2정반체와;
    상기 제2정반체의 반경 외측에 설치된 제3정반체를;
    포함하고, 상기 연마 공정 중에 상기 제2정반체의 상면이 상기 제1정반체의 상면과 상기 제3정반체의 상면보다 더 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1정반체와 상기 제2정반체와 상기 제3정반체 중 어느 하나 이상의 높이를 조절하는 높이 조절부를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2정반체의 상면에 제2연마 패드가 입혀지고, 상기 연마 공정이 행해지는 웨이퍼의 판면이 상기 제2연마패드에 접촉하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2연마 패드는 상기 제2정반체의 외주 경계에서 반경 방향으로의 하향 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 경사면은 평탄면에 대하여 20도 내지 75도의 경사도로 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 높이 조절부는 상기 제1정반체와 상기 제3정반체의 높이를 동기화하여 조절하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 높이 조절부는 상기 제1정반체와 상기 제3정반체의 높이를 동일하게 조절하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제1정반체와 상기 제3정반체는 높이 고정되고, 상기 제2정반체의 높이만 상기 높이 조절부에 의하여 상하로 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 제1정반체와 상기 제2정반체와 상기 제3정반체는 회전 가능하게 설치된 기초 정반체의 상면에 설치되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1정반체와 상기 제3정반체는 상기 기초 정반체와 일체로 형성되거나 높이 고정된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제2정반체는 상기 기초 정반체와 일체로 형성되거나 위치 고정되고, 상기 제1정반체와 상기 제3정반체의 높이가 조절되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  12. 제 1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 한 순간이라도, 상기 제2정반체의 외주 경계와 내주 경계 중 어느 하나 이상이 상기 웨이퍼를 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링의 저면과 맞닿는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 제2연마패드의 외주 경계까지의 제1거리와 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 제2연마패드의 내주 경계까지의 제2거리는 15% 이하의 편차 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 캐리어 헤드는 연마 공정 중에 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하는 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제2정반체의 반경 방향으로의 길이는 상기 웨이퍼의 직경에 비하여 크게 형성된 것을 특징으로 하는 연마 장치용 연마정반 조립체.
  16. 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서,
    웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너 링이 형성되고, 상기 웨이퍼를 하방 가압하면서 회전 구동하는 캐리어 헤드와;
    제 1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 화학 기계적 연마 장치용 연마정반 조립체를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 도중에 어느 한 순간이라도, 상기 제2정반체의 외주 경계와 내주 경계 중 어느 하나 이상이 상기 웨이퍼를 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링의 저면과 맞닿는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 외주 경계까지의 제1거리와 상기 웨이퍼의 회전 중심으로부터 상기 내주 경계까지의 제2거리는 15% 이하의 편차 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제2정반체의 반경 방향으로의 길이는 상기 웨이퍼의 직경에 비하여 크게 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.

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