KR20220120152A - 웨이퍼 연마 헤드 - Google Patents

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KR20220120152A KR1020210023892A KR20210023892A KR20220120152A KR 20220120152 A KR20220120152 A KR 20220120152A KR 1020210023892 A KR1020210023892 A KR 1020210023892A KR 20210023892 A KR20210023892 A KR 20210023892A KR 20220120152 A KR20220120152 A KR 20220120152A
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Abstract

본 발명은 웨이퍼 연마 헤드에 있어서, 헤드 본체; 헤드 본체 아래에 위치하는 멤브레인;으로서, 웨이퍼와 접촉하는 방향에 돌기를 포함하는 멤브레인; 헤드 본체 아래에 위치하여 웨이퍼와 멤브레인의 주위를 감싸는 리테이너 링; 및 헤드 본체와 멤브레인 사이에 위치하는 척 플레이트;를 포함하며, 척 플레이트는 헤드 본체와 멤브레인 사이에서 이동 가능한 웨이퍼 연마 헤드에 대한 것이다.

Description

웨이퍼 연마 헤드{WAFER POLISHING HEAD}
본 발명은 연마 헤드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 슬러리가 연마 헤드 내부로 유입되는 것을 방지하는 연마 헤드에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)를 제조하는 경우, 중요한 공정 중 하나로 웨이퍼의 표면거칠기를 개선함과 함께, 평탄도를 높이기 위한 연마공정이 있다. 최근 디바이스의 고정도(High Precision)화에 수반하여, 디바이스 제작에 이용되는 웨이퍼는 매우 고정도로 평탄화하는 것이 요구되고 있다. 이러한 요구에 대하여, 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 기술로서, 화학기계연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)가 이용되고 있다.
웨이퍼 표면을 연마하는 장치로서, 웨이퍼를 편면씩 연마하는 편면연마장치와, 양면을 동시에 연마하는 양면연마장치가 있다.
통상, 웨이퍼의 편면연마공정에서는 매엽식의 웨이퍼 연마 장치(CMP 장치)가 이용된다. 매엽식의 웨이퍼 연마 장치는, 연마포가 접착된 회전 정반과, 연마포 상의 웨이퍼를 가압하면서 보유 지지하는 연마 헤드를 구비하고 있고, 슬러리를 공급하면서 회전 정반 및 연마 헤드를 각각 회전시킴으로써 웨이퍼의 편면을 연마한다.
웨이퍼의 전면(全面)을 균일하게 가압하여 웨이퍼면 내의 연마량의 균일성을 높이기 위해, 멤브레인 가압 방식의 연마 헤드를 이용한 웨이퍼 연마 장치가 이용되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 연마 패드 상의 웨이퍼에 가압력을 전달하는 멤브레인과, 멤브레인의 장력을 조정하는 장력 조정 수단을 구비한 웨이퍼 연마 장치가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 웨이퍼면 내의 연마량의 균일화를 도모하기 위해, 멤브레인(탄성체막)의 웨이퍼 보유지지면에 표면 거칠기가 상이한 영역을 동심원 형상으로 배치하고, 외주로부터 반경의 10％ 이상80％ 이하인 제1 영역의 산술 평균 거칠기 Ra가 50㎛ 이상 50㎛ 이하이고, 제1 영역의 내측인 제2 영역의 산술평균 거칠기 Ra가 50㎛ 미만인 연마 헤드가 기재되어 있다. 또한 특허문헌 3에는, 멤브레인의 외주부의 두께가 내주부의 두께보다 얇게하여 멤브레인에 의해 웨이퍼에 전체적으로 균일한 압력이 부가되도록 하였다.
더 나아가 연마 공정 중에 슬러리, 연마 입자 등의 이물질이 연마 헤드 내부로 유입되는 것을 방지할 필요가 있다. 예를 들어 특허 문헌 4에서는 리테이너 링과 커버 사이에 요홈이 링 형태로 내주면에 형성되어 리테이너 링과 커버 사이에 설치되는 연마 헤드용 탄성 밀봉링을 제공하고 있다.
본 발명에서는 슬러리가 연마 헤드 내부에 유입되는 것을 방지하고, 웨이퍼를 균일하게 가압할 수 있는 연마 헤드를 제공하고자 한다.
일본공개특허공보 제2003-25217호 일본공개특허공보 제2007-12918호 한국공개특허공보 제2018-0056742호 한국공개특허공보 제2020-0116219호
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다.
본 발명에 따른 일 태양에 의하면, 웨이퍼 연마 헤드에 있어서, 헤드 본체; 헤드 본체 아래에 위치하는 멤브레인;으로서, 웨이퍼와 접촉하는 방향에 돌기를 포함하는 멤브레인; 헤드 본체 아래에 위치하여 웨이퍼와 멤브레인의 주위를 감싸는 리테이너 링; 및 헤드 본체와 멤브레인 사이에 위치하는 척 플레이트;를 포함하며, 척 플레이트는 헤드 본체와 멤브레인 사이에서 이동 가능한 웨이퍼 연마 헤드가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 웨이퍼 연마 헤드의 일 예를 보여주는 단면도,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 및 이를 구비한 연마 헤드의 작동원리를 보여주는 도면.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다. 또한 본 명세서에서 상측/하측, 위/아래 등과 같은 방향 표시는 도면을 기준으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 웨이퍼 연마 헤드의 일 예를 보여주는 단면도이다.
웨이퍼 연마 헤드(100)는 헤드 본체(110), 헤드 본체(110) 아래에 위치하는 멤브레인(120), 헤드 본체(110) 아래에 위치하여 웨이퍼(W)와 멤브레인(120)의 주위를 감싸는 리테이너 링(130) 및 헤드 본체(110)와 멤브레인(120) 사이에 위치하는 척 플레이트(140)를 포함한다.
헤드 본체(110)는 구동부(미도시)에 연결되어 회전 구동력을 전달받아 회전한다. 구동부의 구성은 공지된 기술로 상세한 설명은 생략한다.
멤브레인(120)은 웨이퍼(W)와 접촉하는 제1 층(121), 제1 층(121) 위에 위치하는 제2 층(122) 및 고정부(123)를 포함할 수 있다. 제1 층(121)은 가요성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 가요성의 재질로는 불소계 고무, 부틸고무, 클로로프렌고무, 우레탄고무, 실리콘고무 중 하나일 수 있다. 제2 층(122)은 제1 층(121)보다 단단한 재질로 형성되는 것이 바람직하며 도 4에서 다시 설명한다. 고정부(123)는 멤브레인(120)의 가장자리에서 제2 층(122)을 제1 층(121) 방향으로 눌러주어 멤브레인(120)을 가압하는 경우 제2 층(122)이 제1 층(121)으로부터 박리되거나 멤브레인(120)의 가장자리 부분이 우는 것을 방지할 수 있다. 또한 멤브레인(120)은 가압과정에서 슬러리가 연마 헤드(100) 내부에 흘러들어 가는 것을 방지하기 위해 돌기(124)를 포함할 수 있다. 돌기(124)의 원리는 도 3에서 다시 설명한다.
리테이너 링(130)은 연마 패드(P)의 상면 및 웨이퍼(W)의 외측면과 직접 접촉하는 하부 리테이너 링(132) 및 하부 리테이너 링(132)의 상부에 위치하는 상부 리테이너 링(131)를 포함한다. 리테이너 링(130)은 하부 리테이너 링(132)과 상부 리테이너 링(131)으로 각각 이루어질 수 있지만, 일체적인 하나로 이루어질 수도 있다. 하부 리테이너 링(132)은 웨이퍼(W)의 외측면 및 연마 패드(P)의 상면에 접촉한 상태로 놓여지며, 멤브레인(120)과 직접적인 연결 관계를 갖는 플레이트 구조체일 수 있다.
척 플레이트(140)는 헤드 본체(110)와 멤브레인(120) 사이에서 이동 가능하다. 척 플레이트(140)는 다수의 부분으로 분리된 것처럼 보이지만 결합수단(141, 예 : 나사)에 의해 서로 연결되어 있다. 척 플레이트(140)가 헤드 본체(110)와 멤브레인(120) 사이에서 이동하는 것은 도 2 및 도 3에서 다시 설명한다.
연마 헤드(100) 외부에 배치된 압력 제어부(미도시)는 공기 유입구(160)를 통해 연마 헤드(100) 내부로 공기가 들어가는 것을 제어한다. 연마 헤드(100) 내부에 들어간 공기는 척 플레이트(140)와 멤브레인(120) 사이에 위치하는 제1 챔버(150) 및 헤드 본체(110)와 척 플레이트(140) 사이에 위치하는 제2 챔버(151)로 로 이동한다. 제1 챔버(150)로 이동한 공기는 멤브레인(120)를 가압하고 제2 챔버(151)로 이동한 공기는 척 플레이트(140)를 가압하여 웨이퍼(W)에 균일한 압력을 부가하여 웨이퍼(W)를 연마 패드(P) 방향으로 이동시킬 수 있다. 자세한 설명은 도 2에서 다시 한다. 압력 제어부(미도시)를 통해 제어되는 것은 공기 이외에 공기와 같은 성질을 갖는 모든 유체(예 : 물)로 제한없이 가능하다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 작동원리를 설명하는 도면이다.
설명의 편의를 위해 도 2 및 도 4는 개념도로 간략히 기재하였으며, 도 3은 도 1에 기재된 네모(142) 부분을 확대한 도면이다. 도 2 및 도 4는 개념도로 각 부분의 크기는 설명을 위해 확대 및 축소된 것으로 실재 크기를 나타내는 것이 아니다.
도 2(a)는 헤드 본체(110), 멤브레인(120), 리테이너 링(130), 척 플레이트(140), 웨이퍼(W) 및 연마 패드(P)를 설명의 편의를 위해 간략히 도시하였다.
제1 챔버(150)에 공기가 유입되어 멤브레인(120)을 가압하는 경우 멤브레인(120)이 연마 패드(P) 방향으로 내려오면서 접촉하고 있는 웨이퍼(W)를 가압하여 웨이퍼(W)도 연마 패드(P) 방향으로 내려온다. 또한 제2 챔버(151)에 공기가 유입되어 척 플레이트(140)를 가압하는 경우 척 플레이트(140)가 연마 패드(P) 방향으로 내려오고 척 플레이트(140)와 멤브레인(120) 사이의 간격은 제1 챔버(150)에 의해 유지되어 멤브레인(120)도 연마 패드(P) 방향으로 내려오기 때문에 멤브레인(120)과 접촉하고 있는 웨이퍼(W)도 연마 패드(P) 방향으로 내려온다. 압력 제어부(미도시)에 의해 제1 챔버(150) 또는 제2 챔버(151)에 각각 공기가 채워지거나 제1 챔버(150)에 공기가 채워진 후 제2 챔버(151)에 공기가 채워지거나 반대로 제2 챔버(151)에 공기가 채워진 후 제1 챔버(150)에 공기가 채워질 수 있다. 각각의 제어 방법에 따라 웨이퍼(W)가 연마 패드(P) 방향으로 내려오는 정도가 달라져 웨이퍼(W)와 연마 패드(P) 사이의 거리가 조절될 수 있다. 즉 도 2(a)의 초기 상태에서 도 2(b) 및 도 2(c)와 같이 제1 챔버(150) 또는 제2 챔버(151)를 통한 가압으로 웨이퍼(W)와 연마 패드(P) 사이의 거리(L)가 조절되어 웨이퍼(W)의 연마 속도를 조절할 수 있다. 즉 본 발명에 따르면 웨이퍼(W)와 연마 패드(P) 사이의 거리(L)가 조절되고 웨이퍼(W)와 연마 패드(P) 사이의 거리(L)에 따라 연마 패드(P)와 웨이퍼(W) 사이의 접촉압력이 달라져 연마 속도가 조절될 수 있는 것이다. 특히 웨이퍼(W) 엣지부분의 연마속도 조절에 더 큰 효과가 있다.
그런데 도 2(a)을 보면 웨이퍼(W)와 연마 패드(P) 사이에 화학적 연마를 위해 슬러리(S)가 유입된 경우 종래의 연마 헤드에서는 웨이퍼(W)가 연마 패드(P) 방향으로 내려오면서 슬러리(S)가 연마 헤드 내부로 흘러들어 갈 위험이 있지만 본 발명에서는 도 2(b)와 같이 멤브레인(120)에 구비된 돌기(124)에 의해 슬러리(S)가 연마 헤드(100) 내부로 흘러들어 가는 위험을 방지할 수 있다. 즉 도 1에 기재된 네모(142) 부분을 확대한 도 3을 보면 멤브레인(120)에 구비된 돌기(124)가 하부 리테이너 링(132)과 접촉하여 슬러리가 연마 헤드(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 더 나아가 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이는 간격의 크기가 변동하는 변동간격을 구비하고 있으며 변동간격(143)은 본 발명에서 중요하다. 즉 제2 챔버(151)에 유입되는 공기의 양에 따라 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이의 변동간격(143)의 크기가 변하면서 척 플레이트(140)는 헤드 본체(110)와 멤브레인(120) 사이에서 이동할 수 있다. 제2 챔버(151)에 공기가 유입되기 전에 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이의 변동간격(143)의 크기가 가장 작을 수 있다. 이 때 변동간격(143)의 크기는 멤브레인(120) 제1 층(121)에 구비된 돌기(124)의 높이보다 작은 것이 바람직하다. 즉 변동간격(143)의 크기가 가장 작은 경우에 변동간격(143)의 크기가 제1 층(121)에 구비된 돌기(124)의 높이보다 큰 경우에 돌기(124)가 하부 리테이너 링(132)과 접촉한 상태에서 도 3(b)와 같이 변동간격(143)과 돌기(124)의 높이 차이만큼 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이가 벌어져 있기 때문에 슬러리가 돌기(124)와 하부 리테이너 링(132) 사이로 흘러들어오면 돌기(124)가 하부 리테이너 링(132) 위로 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이가 벌어져 있는 변동간격(143) 만큼 떠 슬러리가 연마 헤드(100) 내부로 유입될 수 있지만 변동간격(143)의 크기가 가장 작은 경우에 변동간격(143)의 크기가 제1 층(121)에 구비된 돌기(124)의 높이보다 작은 경우에는 도 3(c)와 같이 제2 챔버(151)에 공기가 유입되기 전에도 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110)는 접촉하고돌기(124)의 높이와 변동간격(143)의 크기 차이만큼 돌기(124)를 누르는 힘이 작용하여 슬러리가 연마 헤드(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 제2 챔버(151)에 공기가 유입되어 변동간격(143)의 크기가 커져 척 플레이트(140)와 헤드 본체(110) 사이가 벌어져 있는 경우에는 공기가 척 플레이트(140)를 누르는 힘에 의해 돌기(124)를 누르는 힘이 작용하여 슬러리가 연마 헤드(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 척 플레이트(140)가 돌기(124)를 누르는 힘이 전달되기 위해서 돌기(124)는 고정부(123) 아래에 위치하는 것이 바람직하며 고정부(123)는 척 플레이트(140)가 누르는 힘이 전달될 정도의 강성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한 돌기(124)는 가요성 재질로 누르는 힘에 의해 높이가 변동될 수 있는 것이 바람직하다.
또한 멤브레인(120)이 연마 패드(P) 방향으로 내려오는 경우 도 2(b) 및 도 2(c)와 같이 멤브레인(120)이 편평하게 내려와 웨이퍼(W)를 균일하게 가압하지 않고 도 4(a)와 같이 휘어져서 내려와 웨이퍼(W)를 균일하지 않게 가압하는 문제가 있었다. 이것은 멤브레인(120)이 잘 휘어지는 가요성 재질로 형성되기 때문이다. 본 발명에서는 도 4(b)와 같이 멤브레인(120)이 가요성 재질의 제1 층(121) 위에 제1 층(121)보다 단단한 재질로 된 제2 층(122)을 구비하여 도 4(a)에 기재된 문제를 완화하였다. 다만 제1 층(121)보다 제2 층(122)의 재질이 단단하기 때문에 제2 층(122)의 두께가 제1 층(121)보다 얇은 것이 바람직하다. 단단한 재질의 제2 층(122)이 제1 층(121)보다 더 두꺼운 경우 멤브레인(120)의 본래의 기능을 위한 가요성이 떨어지기 때문이다.
이하 본 발명의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 웨이퍼 연마 헤드에 있어서, 헤드 본체; 헤드 본체 아래에 위치하는 멤브레인;으로서, 웨이퍼와 접촉하는 방향에 돌기를 포함하는 멤브레인; 헤드 본체 아래에 위치하여 웨이퍼와 멤브레인의 주위를 감싸는 리테이너 링; 및 헤드 본체와 멤브레인 사이에 위치하는 척 플레이트;를 포함하며, 척 플레이트는 헤드 본체와 멤브레인 사이에서 이동 가능한 웨이퍼 연마 헤드.
(2) 리테이너 링은 상부 리테이너 링과 하부 리테이너 링을 포함하며, 돌기는 하부 리테이너 링의 상면과 접촉하는 웨이퍼 연마 헤드.
(3) 척 플레이트의 이동에 의해 웨이퍼가 하부 리테이너 링의 두께 범위 내에서 이동하는 웨이퍼 연마 헤드.
(4) 척 플레이트와 헤드 본체 사이는 간격의 크기가 변동하는 변동간격을 구비하며, 변동간격의 크기가 가장 작을 때의 변동간격의 크기가 돌기의 높이보다 작은 웨이퍼 연마 헤드.
(5) 멤브레인은 가요성 재질의 제1 층과 제1 층보다 단단한 재질의 제2 층을 포함하며, 돌기는 제1 층 웨이퍼와 접촉하는 방향에 위치하는 웨이퍼 연마 헤드.
(6) 제2 층의 가장자리에 위치하는 고정부를 포함하며, 고정부 바로 아래에 돌기가 위치하는 웨이퍼 연마 헤드.
(7) 척 플레이트와 멤브레인 사이에 제1 챔버가 위치하며, 헤드 본체와 척 플레이스 사이에 제2 챔버가 위치하며, 제1 챔버 및 제2 챔버 중 적어도 하나를 사용한 가압으로 웨이퍼와 연마패드 사이의 거리를 조절할 수 있는 웨이퍼 연마 헤드.
본 발명에 의하면, 슬러리가 웨이퍼 연마 헤드 내부에 유입되는 것을 방지할 수 있는 웨이퍼 연마 헤드를 얻을 수 있다.
연마 헤드 : 100, 헤드 본체 : 110, 멤브레인 : 120, 리테이너 링 : 130
척 플레이트 : 140, 돌기 : 123

Claims (7)

  1. 웨이퍼 연마 헤드에 있어서,
    헤드 본체;
    헤드 본체 아래에 위치하는 멤브레인;으로서, 웨이퍼와 접촉하는 방향에 돌기를 포함하는 멤브레인;
    헤드 본체 아래에 위치하여 웨이퍼와 멤브레인의 주위를 감싸는 리테이너 링; 및
    헤드 본체와 멤브레인 사이에 위치하는 척 플레이트;를 포함하며,
    척 플레이트는 헤드 본체와 멤브레인 사이에서 이동 가능한 웨이퍼 연마 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    리테이너 링은 상부 리테이너 링과 하부 리테이너 링을 포함하며,
    돌기는 하부 리테이너 링의 상면과 접촉하는 웨이퍼 연마 헤드.
  3. 제2항에 있어서,
    척 플레이트의 이동에 의해 웨이퍼가 하부 리테이너 링의 두께 범위 내에서 이동하는 웨이퍼 연마 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    척 플레이트와 헤드 본체 사이는 간격의 크기가 변동하는 변동간격을 구비하며,
    변동간격의 크기가 가장 작을 때의 변동간격의 크기가 돌기의 높이보다 작은 웨이퍼 연마 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    멤브레인은 가요성 재질의 제1 층과 제1 층보다 단단한 재질의 제2 층을 포함하며,
    돌기는 제1 층 웨이퍼와 접촉하는 방향에 위치하는 웨이퍼 연마 헤드.
  6. 제5항에 있어서,
    제2 층의 가장자리에 위치하는 고정부를 포함하며,
    고정부 바로 아래에 돌기가 위치하는 웨이퍼 연마 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    척 플레이트와 멤브레인 사이에 제1 챔버가 위치하며,
    헤드 본체와 척 플레이스 사이에 제2 챔버가 위치하며,
    제1 챔버 및 제2 챔버 중 적어도 하나를 사용한 가압으로 웨이퍼와 연마패드 사이의 거리를 조절할 수 있는 웨이퍼 연마 헤드.
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