KR20220031443A - 웨이퍼 위치조절이 가능한 구조의 화학연마장치용 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

웨이퍼 연마용 헤드로서, 구동부에 연결되는 중공 형상의 헤드 바디(10);
상기 헤드 바디(10)의 하부에 배치된 상태에서, 연마 패드(P) 상에서 회전하는 웨이퍼(W)의 외주면을 고정하기 위한 리테이너링(20); 상기 웨이퍼(W)와 접촉하여 웨이퍼에 압력을 인가하기 위한 탄성 소재의 멤브레인(50); 상기 헤드 바디(10) 내에서 상기 멤브레인(50)의 외주면과 결합하여 상기 멤브레인에 압력을 인가하기 위한 공간을 제공하는, 중공 구조의 원형 멤브레인챔버부(30); 상기 헤드 바디(10)와 상기 멤브레인(50) 사이의 체결수단(40)을 포함하며, 상기 체결수단(40)과 상기 헤드바디(10) 사이에는 소정 간격(G)이 형성되어 상기 멤브레인 챔버부(30)에 압력이 인가함에 따라 상기 멤브레인이 팽창하는 경우, 상기 멤브레인의 팽창력에 의하여 상기 체결수단(40)은 상기 헤드바디(10) 방향으로 상승하여 상기 웨이퍼의 위치를 상승시키는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치용 캐리어 헤드가 제공된다.

Description

웨이퍼 위치조절이 가능한 구조의 화학연마장치용 캐리어 헤드{Carrier head for chemical polishing device with structures enabloing position of wafer}

본 발명은 웨이퍼 위치조절이 가능한 구조의 화학연마장치용 캐리어 헤드로서, 웨이퍼와 접촉하는 멤브레인에 압력을 인가하는 동안 웨이퍼 챔버의 위치를 이동시켜 웨이퍼의 연마 균일도를 향상시킬 수 있는 웨이퍼 위치조절이 가능한 구조의 화학연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다.

집적 회로는 일반적으로 도체, 반도체 또는 절연층을 연속 증착함으로써 기판, 특히 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 각 층이 증착된 이후에, 층은 회로 특성이 발생되도록 에칭된다. 일련의 층들이 연속적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외부 또는 최상층 표면, 즉 기판의 노출면은 점차 비평면화된다. 이와 같이 비평면인 외부면은 집적 회로 제조자에게 문제가 된다. 기판 외부면이 평면이 아니면, 그 위에 놓이는 포토레지스트 층도 평면이 아니다.

포토레지스트 층은 일반적으로 포토레지스트 상에 광 화상을 집중시키는 포토리소그래피 장치(photolithographic devices)에 의해 패턴화된다. 기판의 외부면이 너무 울퉁불퉁하면, 외부면의 피크와 골 사이의 최대 높이 차이는 화상 장치의 포커스 깊이를 초과할 것이며, 기판 외부면에 광 화상을 적절하게 집중시킬 수 없다. 포커스 깊이가 개선된 새로운 포토리소그래피 장치를 설계하는 것은 상당히 비싼 작업이다. 또 집적회로 내에 이용되는 최소배선폭이 더 작아짐에 따라, 보다 단거리의 광 파장이 이용되어야 하며, 이로 인해 이용 가능한 포커스 깊이는 더욱 축소된다. 따라서 실질적인 평면 층 표면을 제공하기 위해 기판 표면을 주기적으로 평탄하게 할 필요가 있다.

화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP)는 평탄화의 한가지 방법으로서, 상기 화학 기계식 연마는 평탄화시키고자 하는 대상 웨이퍼(기판)가 연마 헤드에 장착되는데, 상기 기판의 연마 헤드 장착은 연마 헤드의 하부면에 장착된 가용성 박막으로서의 멤브레인과 기판의 접촉에 의하여 수행된다. 이후 멤브레인과 접촉함으로써 헤드에 장착된 기판은 멤브레인과의 접촉면에 대향하는 면이 회전하는 연마 패드에 접촉하게 된다. 이때 헤드는 연마 패드에 대해 기판을 가압하게 되며, 또한 헤드는 기판과 연마패드 사이에서 추가의 이동을 제공하도록 회전한다. 연마제 및 적어도 하나의 화학 반응제를 포함하는 연마 슬러리는 연마 패드 상에 분포되어 패드와 기판 사이 계면에서 연마 화학 용액을 제공한다. 이러한 CMP 공정은 상당히 복잡하며, 단순 습식 샌딩(wet sanding)과는 다르다. CMP 공정에서, 슬러리 내의 반응제는 반응 사이트를 형성하기 위해 기판의 외부면과 반응한다. 반응 장소를 갖는 연마 패드와 연마 입자의 상호 작용에 의해 연마가 이루어진다.

특히, CMP 공정 상에서 연마 속도, 마무리 정도 및 편평도는 패드 및 슬러리 조합, 기판과 패드 사이의 상대 속도, 및 패드에 대해 기판을 누르는 힘에 의해 결정된다. 편평도 및 마무리 정도가 불충분하면 기판은 결함이 있게 되므로, 연마 패드와 슬러리의 조합은 필요한 마무리 정도 및 편평도에 의해 선택된다. 이러한 조건 하에서, 연마속도에 의해 연마 장치의 최대 작업처리량이 정해진다. 연마 속도는 기판이 패드에 대해 압축되는 힘에 따라 달라진다. 특히, 이러한 힘이 커질수록, 연마 속도도 더 빨라진다. 캐리어 헤드가 불균일한 하중을 가한다면, 즉 캐리어 헤드가 기판의 한 영역에서만 더욱 큰 힘을 받게 된다면, 고압의 영역은 저압의 영역보다 더 신속하게 연마될 것이다. 따라서 하중이 불균일하면 기판은 불균일하게 연마될 것이다. 또환 CMP 공정의 한 가지 문제는 종종 기판의 엣지가 기판 중심과는 다른 속도(일반적으로 더 빠르고, 가끔씩 더 느린)로 연마되는 것이다.

"엣지 효과(edge effect)"로 불리는 이 문제는 하중이 기판에 균일하게 적용되는 경우에도 발생한다. 엣지 효과는 기판의 주변부, 예를 들어 기판의 최외각 5 내지 10 mm에서 일반적으로 발생하는데, 이러한 엣지 효과는 기판의 전체 편평도를 감소시키고, 기판의 주변부를 집적 회로 내에서 이용하기에 부적합하게 하며, 수율을 감소시킨다.

이러한 문제를 해결하고자 대한민국 공개특허 10-2012-0012099호는 멤브레인과 접촉하는 리테이너링을 소정 각도로 깍은 기술을 개시한다. 하지만, 이 기술은 리테이너링 자체를 가공하여야 한다는 문제와, 웨이퍼의 이탈을 방지하기 위하여 실질적으로 가장 강한 힘을 받는 리테이너 링의 접촉 면적으로 축소하여, 과도한 부하를 걸리게 하는 문제가 있다.

또한 웨이퍼에 압력을 가하는 경우 웨이퍼에 압력을 인가하는 탄성 재질의 멤브레인은 엣지 부분에서 과도하게 연마가 되는 문제가 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연마도중 멤브레인에 압력 인가에 따라 웨이퍼 중심으로 연마속도를 증가시켜 소위 웨이퍼 엣지 다운 형상의 연마 프로파일을 갖는 캐리어 헤드 구조를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 웨이퍼 연마용 헤드로서, 구동부에 연결되는 중공 형상의 헤드 바디(10); 상기 헤드 바디(10)의 하부에 배치된 상태에서, 연마 패드(P) 상에서 회전하는 웨이퍼(W)의 외주면을 고정하기 위한 리테이너링(20); 상기 웨이퍼(W)와 접촉하여 웨이퍼에 압력을 인가하기 위한 탄성 소재의 멤브레인(50); 상기 헤드 바디(10) 내에서 상기 멤브레인(50)의 외주면과 결합하여 상기 멤브레인에 압력을 인가하기 위한 공간을 제공하는, 중공 구조의 원형 멤브레인챔버부(30); 상기 헤드 바디(10)와 상기 멤브레인(50) 사이의 체결수단(40)을 포함하며, 상기 체결수단(40)과 상기 헤드바디(10) 사이에는 소정 간격(G)이 형성되어 상기 멤브레인 챔버부(30)에 압력이 인가함에 따라 상기 멤브레인이 팽창하는 경우, 상기 멤브레인의 팽창력에 의하여 상기 체결수단(40)은 상기 헤드바디(10) 방향으로 상승하여 웨이퍼 엣지 부분의 연마속도를 감소시켜 웨이퍼 중심영역에서의 연마속도가 상대적으로 증가하는 구조를 갖는다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 화학기계연마장치용 캐리어 헤드는, 상기 헤드 바디(10) 내측; 상기 채결수단(40); 및 상기 멤브레인 챔버부(30)로 정의되는 헤드쳄버부(50)를 포함하며, 상기 화학기계연마장치용 캐리어 헤드는, 상기 원형 멤브레인챔버부(30) 및 헤드쳄버부(50) 각각에 독립적으로 압력을 인가하기 위하여 기체주입부를 더 포함하며, 상기 체결수단은, 상기 리테이터링 방향으로 연장된 멤브레인의 상측과 상기 헤드 바디 사이를 연결하며, 상기 헤드 바디 사이에 별도의 공간을 갖는다.

본 발명에 따르면, 멥브레인 쳄버에 공기 등을 인가하여 멤브레인에 인가함에 따라 멤브레인의 엣지 부분이 위로 상승하여 연마 압력을 감소시켜 웨이퍼 중심에 압력이 상대적으로 증가하여 웨이퍼 중심 영역에서 연마속도가 증가한다.

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 화학기계연마장치용 캐리어 헤드의 구조 모식도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계연마장치용 캐리어 헤드의 동작 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확하게 하기 위해, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위하여, 웨이퍼 연마를 위하여 웨이퍼에 압력을 인가하기 위하여 접촉하는 멤브레인에 압력을 인가하는 경우, 실질적으로 패드에 접촉하는 웨이퍼이 엣지 부분이 상승하는 구조를 통하여 웨이퍼 중심부의 연마 속도가

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 화학기계연마장치용 캐리어 헤드의 구조 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 연마용 헤드는, 구동부(미도시)에 연결되는 중공 형상의 헤드 바디(10)와, 상기 헤드 바디(10)의 하부에 배치된 상태에서, 연마 패드(P) 상에서 회전하는 웨이퍼(W)의 외주면을 고정하기 위한 리테이너링(20)를 포함한다.

또한 상기 리테이너링(20)에 의하여 고정되어 회전하는 웨이퍼(W)를 가압하기 위하여, 상기 웨이펴(W)와 접촉하여 웨이퍼에 압력을 인가하기 위한 탄성 소재의 멤브레인(50)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 상기 리테이너링(20)은 웨이퍼(w)의 외주면으로 수평 연장된 구조를 가지며, 이에 대응하여 상기 멤브레인(50)은 상기 수평 연장된 리테이너링(20)의 엣지와 그 상측까지 연장되는 계단형 구조를 갖는다.

또한 상기 헤드 바디(10) 내에서 상기 멤브레인(50)의 외주면과 결합하여 상기 멤브레인에 압력을 인가하기 위한 공간을 제공하는, 중공 구조의 원형 멤브레인챔버부(30)와, 상기 헤드 바디(10)와 상기 멤브레인(50) 사이의 체결수단(40)을 포함한다. 이때 상기 체결수단(40)과 상기 헤드바디(10) 사이에는 소정 간격(G)이 형성되어 상기 멤브레인 챔버부(30)에 압력이 인가함에 따라 상기 멤브레인이 팽창하는 경우, 상기 멤브레인의 팽창력에 의하여 상기 체결수단(40)은 상기 헤드바디(10) 방향으로 상승하여 상기 웨이퍼의 위치를 상승시키게 된다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 체결수단은, 상기 리테이터링 방향으로 연장된 멤브레인의 상측과 상기 헤드 바디 사이를 연결하는 부재로서 상기 헤드 바디의 일부 영역과는 소정 간격(G)을 가지게 되며, ap브레인 챔버부(30)에 압력이 인가함에 따라 상기 멤브레인이 팽창하면 이 체결수단(40)은 헤드 바디(10) 방향으로 상기 소정 간격(G)으로 상승하며, 이에 따라 웨이퍼의 위치는 위쪽으로 상승하게 된다. 이로써 멤브레인 챔버부(30)에 압력을 인가함에 따라 그 반발로서 상기 채결수단(40)은 상승하여 상기 헤드 바디(10)에 밀착하게 된다. 이로써 웨이퍼 챔버의 높이는 전체적으로 상승하여 웨이퍼의 중심부와 엣지 부분 사이의 연마 압력 차이에 따른 불균일한 연마 균일도가 개선된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계연마장치용 캐리어 헤드는, 상기 헤드 바디(10) 내측; 상기 채결수단(40); 및 상기 멤브레인 챔버부(30)로 정의되는 헤드쳄버부(50)를 포함하며, 상기 원형 멤브레인챔버부(30) 및 헤드쳄버부(50) 각각에 독립적으로 압력을 인가하기 위하여 기체주입부를 더 포함할 수 있다.

도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기계연마장치용 캐리어 헤드의 동작 모식도이다.

도 2를 참조하면, 체결수단(10)은 멤브레인(50)이 리테이너링(20)의 수평 연장된 상부(a)와 헤드 바디(10) 사이에 구비되며 헤드 바디(10)와는 소정 간격(G)을 유지하고 있다.

도 3을 참조하면, 이후 상기 원형 멤브레인챔버부(30)로 공기 등을 주입하여 압력을 인가하는 경우 멤브레인은 팽창하는데 리테이터링의 수평연장된 부분(a) 상의 멤브레인은, 일정한 경도로 인하여 위쪽으로 힘을 인가하게 된다. 이것은 리테이너링을 통한 지렛대와 같은 원리이며, 이로써 상기 체결수단(40)은 수직으로 상승하여 헤드바디(10)와 접촉하게 된다. 이와같이 상승하는 채결수단으로 인하여 멤브레인 챔버부를 통한 공압 인가에 따라 웨이퍼 중심 영역에서의 연마속도가 증가하여 엣지에서의 연마 속도가 감소되는, 소위 엣지 다운(edge down)의 연마 프로파일을 가지게 된다.

본 발명은 또한 상기 멤브레인이 PET와 같은 필름과 탄성소재가 융착된 복합구조일 수 있다. 이 경우 멤브레인의 가요성에 의한 멤브레인 변형을 필름을 통하여 막을 수 있다.

본 발명은 또한 상술한 구조의 캐리어 헤드에서 먼저 헤드 챔버에 압력을 인가한 후, 웨이퍼 챔버에 압력을 인가한다. 이 경우, 헤드 챔버로의 압력인가에 따라 웨이퍼가 아래로 내려감으로써 웨이퍼는 패드에 밀착한 상태가 되어 연마가 진행될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 웨이퍼 연마용 헤드로서,
   구동부에 연결되는 중공 형상의 헤드 바디(10);
   상기 헤드 바디(10)의 하부에 배치된 상태에서, 연마 패드(P) 상에서 회전하는 웨이퍼(W)의 외주면을 고정하기 위한 리테이너링(20);
   상기 웨이퍼(W)와 접촉하여 웨이퍼에 압력을 인가하기 위한 탄성 소재의 멤브레인(50);
   상기 헤드 바디(10) 내에서 상기 멤브레인(50)의 외주면과 결합하여 상기 멤브레인에 압력을 인가하기 위한 공간을 제공하는, 중공 구조의 원형 멤브레인챔버부(30);
   상기 헤드 바디(10)와 상기 멤브레인(50) 사이의 체결수단(40)을 포함하며,
   상기 체결수단(40)과 상기 헤드바디(10) 사이에는 소정 간격(G)이 형성되어 상기 멤브레인 챔버부(30)에 압력이 인가함에 따라 상기 멤브레인이 팽창하는 경우, 상기 멤브레인의 팽창력에 의하여 상기 체결수단(40)은 상기 헤드바디(10) 방향으로 상승하여 상기 웨이퍼 엣지 부분의 연마속도를 감소시켜 웨이퍼 중심영역에서의 연마속도가 상대적으로 증가하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치용 캐리어 헤드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 화학기계연마장치용 캐리어 헤드는,
   상기 헤드 바디(10) 내측; 상기 채결수단(40); 및 상기 멤브레인 챔버부(30)로 정의되는 헤드쳄버부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치용 캐리어 헤드.
3. 제 2항에 있어서, 상기 화학기계연마장치용 캐리어 헤드는,
   상기 원형 멤브레인챔버부(30) 및 헤드쳄버부(50) 각각에 독립적으로 압력을 인가하기 위하여 기체주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치용 캐리어 헤드.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 체결수단은, 상기 리테이터링 방향으로 연장된 멤브레인의 상측과 상기 헤드 바디 사이를 연결하며, 상기 헤드 바디 사이에 별도의 공간을 갖는 것을 특징으로 하는 화학기계연마장치용 캐리어 헤드.
   

Images