KR100470227B1 - 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하여 평탄화하기 위한 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 대한 것으로서, 캐리어 하우징(1)과, 홀더 하우징(3)과, 웨이퍼 지지조립체(6)와, 장착챔버(10)를 포함하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서, 상기 웨이퍼 지지조립체(6)는 그 내부에 가압 가능한 조정챔버(13)와 중앙에 구멍이 형성된 멤브레인(12)을 포함하며, 연마작업 중에 상기 조정챔버(13)의 내부에 유입된 가압유체는 상기 멤브레인(12)이 외측으로 팽창하도록 하여 웨이퍼의 뒷면의 일부분에 힘을 미치도록 하고, 상기 멤브레인(12)의 중앙부에 형성된 모서리부는 상기 조정챔버(13)의 내측부로 인입되어 진공파이프(35)에 연결되어 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 흡착수단을 이루며, 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 외측에는 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 상하이동과는 별도로 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 하면을 기준으로 하여 그 하면과 수직방향으로 이동이 가능하도록 유지링(7)과 컨디셔너(37)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드 {Carrier Head for Chemical Mechanical Polishing}

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하여 평탄화하기 위한 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 장치의 캐리어 헤드에 대한 것이다.

화학기계적 연마장치는 반도체 웨이퍼 제조과정 중의 마스킹, 에칭, 배선 공정 등의 반복으로 인해 발생되는 웨이퍼 표면의 불균일함을 줄이기 위해 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위하여 사용되는 장치이다.

상기 화학기계적 연마장치는 두 가지의 메커니즘에 의하여 연마할 수 있도록 구성되는데, 그 첫째는 막이 입혀진 연마 대상의 웨이퍼 표면을 연마패드 위에 놓고, 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼에 가압을 한 다음, 연마패드 혹은 캐리어 헤드를 운동시켜 웨이퍼 표면에 발생하는 마찰을 이용하여 연마하는 기계적 연마방법과, 그 둘째는 슬러리(Slurry)라는 연마액을 사용하여 이에 따른 화학반응을 유도하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 화학적 연마방법이 있다.

상기와 같이 웨이퍼를 평탄화하기 위해서는 웨이퍼의 비연마면은 캐리어 헤드에 장착되어지고, 웨이퍼의 연마면은 연마패드에 대향하여 놓인 후, 연마패드와 웨이퍼의 연마면 사이에 연마액을 공급하여 웨이퍼의 연마를 실시한다.

캐리어 헤드는 연마 공정을 위해 연마를 시작하기 전에 연마를 위한 웨이퍼가 부착이 되는 곳이며, 또한, 캐리어 헤드와 연마패드의 상대 운동으로 연마가 일어나는 연마 과정 중에 웨이퍼를 수용하기 위해 사용되며, 연마패드와 캐리어의 상대 운동을 거쳐 연마가 끝난 웨이퍼를 연마 후 후속 과정을 위해 연마패드로부터 탈거하기 위해 사용된다.

화학기계적 연마 공정에서의 캐리어 헤드에 있어 구현하기 어려운 메커니즘 중의 하나가 상기 연마공정 전후에 걸쳐 웨이퍼를 흡착하여 부착하는 것이다.

연마공정 전에 웨이퍼를 부착하고 연마를 준비하기 위해서는 별도의 웨이퍼를 부착할 수 있는 방법이 필요하다. 가장 일반적으로, 진공 등의 방법이 사용되어진다.

상기와 같이 구성되는 종래의 화학기계적 연마장치(80)의 구조는 한국특허공개번호2000-71788호 및 일본 특개평9-168969에 개시되어 있는 것처럼 도 1과 같이 테이블(82)의 상면에 연마스테이션(100a,100b,100c)과, 이송스테이션(105)이 설치된다. 이송스테이션(105)은 상기 연마스테이션과 대략 방형으로 배치되어 구성된다. 상기 이송스테이션은 도시되지 않은 웨이퍼 반입 장치로부터 그 웨이퍼를 수용하는 기능과 세정하는 기능과, 웨이퍼를 캐리어 헤드시스템(160a-160d) 내로 이송하는 기능과, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 수용하는 기능과, 웨이퍼를 다시 반입장치로 반송하는 기능을 갖도록 구성된다. 상기 연마스테이션(100a,100b,100c)은 회전 암(132)과, 플레이튼(110)과, 연마패드(120)로 구성된다. 상기 회전 암은 독립적으로 회전하는 컨디셔너헤드(134)를 갖는다. 상기 컨디셔너헤드는 연마패드(120)의 상태를 제어하여 연마패드에 압박되어 있는 웨이퍼가 회전하는 사이에 효과적으로 연마될 수 있도록 한다. 인접하는 연마스테이션(100a,100b,100c) 및 이송스테이션(105) 사이에 2개의 중간세정스테이션(140a, 140b)이 배치된다. 상기 중간세정스테이션은 웨이퍼가 연마스테이션으로부터 다른 연마스테이션으로 이동하는 동안에 웨이퍼를 세정하도록 구성된다.

또, 회전 가능한 다중 헤드캐로슬(150)이 테이블(82)의 상부위치에 구성된다.

상기 다중 헤드캐로슬(150)은 중심축(152)에 지지되고, 이 중심축 상에서 테이블(82) 내부에 배치된 헤드캐로슬 모터에 의하여 회전한다. 중심축(152)은 캐로슬지지판(156)과 커버(158)를 지지한다. 상기 다중 헤드캐로슬(150)은 4개의 캐리어 헤드시스템(160a,160b,160c,160d)을 구비한다. 상기 캐리어 헤드시스템 중 3개는 웨이퍼를 수용하여 고정하고 연마스테이션(100a,100b,100c)의 플레이튼(110) 상에서 연마패드(120)에 웨이퍼를 압박하여 눌러 줌으로서 웨이퍼를 연마할 수 있도록 구성되어 있다. 상기 캐리어 헤드시스템 중 하나는 이송스테이션(105)으로부터 웨이퍼를 수용하거나 이송스테이션(105) 쪽으로 웨이퍼를 반출하도록 한다.

더 구체적으로는 4개의 캐리어 헤드시스템(160a-160d)이 헤드캐로슬 지지판(156) 위에 중심축(152)의 주위를 따라 동일한 간격으로 배치된다. 중심축(152)이 헤드캐로슬 지지판(156)을 지지하고, 헤드캐로슬 모터에 의하여 헤드캐로슬 지지판(156)을 회전시켜 캐리어 헤드시스템(160a-160d)과 이것에 부착되는 웨이퍼를 중심축(152) 주위의 괘도상에서 회전시킨다. 상기 캐리어 헤드시스템(160a-160d)은 각각 캐리어 헤드(180)를 구비한다. 상기 캐리어 헤드는 각각 그 캐리어 헤드의 축 주위를 회전함과 동시에 상기 지지판(156)에 형성된 반경방향의 슬롯(182) 내를 각각 독립하여 수평으로 왕복 운동한다. 캐리어 구동샤프트(184)가 캐리어 헤드 회전 모터(186)를 캐리어 헤드(180)에 접속시킨다. 각 캐리어 헤드에는 1개의 캐리어 구동샤프트와 모터가 설치된다.

상기 캐리어 헤드(180)의 저부에 부착되는 웨이퍼는 캐리어 헤드시스템(160a-160d)에 의하여 승하강 가능하게 된다. 상기 다중 헤드캐로슬(150)의 캐리어 헤드시스템이 웨이퍼를 이송하여 그 웨이퍼의 연마와 세정을 위해 배치시키기 위해 필요로 하는 종스트로크는 짧게 하는 것이 유리하다. 상기 종스트로크를 맞추기 위하여 입력제어신호를 컨트롤하여 캐리어 헤드(180)가 신축되도록 구성한다. 더 구체적으로는 입력제어신호에 의하여 웨이퍼 수용 리세스를 갖는 하측의 캐리어부재를 상측 캐리어부재와 상대적으로 종방향 운동이 되도록 구성한다. 실제 연마가 이루어지는 동안에는 캐리어 헤드 중 3개 즉, 캐리어 헤드시스템(160a-160c)의 각각의 캐리어 헤드가 연마스테이션(100a-100c) 상에 대응하도록 배치된다. 각각의 플레이튼(110)은 상면이 연마슬러리로 젖어있는 연마패드(120)를 지지하고 있다. 상기 캐리어 헤드(180)가 웨이퍼를 하강시켜 연마패드(120)와 접촉할 수 있도록 구성되고, 연마 슬러리가 웨이퍼를 화학적연마 및 기계적연마를 하기 위한 매체로 작용한다.

웨이퍼가 연마될 때마다 컨디셔너에 의하여 연마패드(120)의 상태를 조절한다. 상기 컨디셔너가 연마패드(120)의 중심과 외측 가장자리와의 사이를 왕복 운동함으로서 회전 암(132)이 연마패드(120)의 전면을 닦도록 이동한다. 상기 컨디셔너는 다이아몬드 등의 마찰면으로 이루어지고 이 마찰면을 회전상태에 있는 연마패드(120)에 접촉시켜 패드의 거칠기를 조절한다.

실제 사용에 있어서는 하나의 예로 4번째 캐리어 헤드시스템(160d)이 최초로 웨이퍼 이송스테이션(105)의 상방향에 배치된다. 헤드캐로슬(150)이 회전하고 있는 동안에는 캐리어 헤드시스템(160a-160d)은 연마스테이션(100a-100c)과 이송스테이션(105) 위에 배치된다. 헤드캐로슬(150)에 의하여 연마스테이션의 각각이 최초로 이송스테이션(105)상에, 이어서, 연마스테이션(100a-100c)의 한 개 이상의 위에, 그리고 이송스테이션(105)에 되돌아오도록 일련하여 배치할 수 있도록 되어 있다.

특히, 종래의 캐리어 헤드(180)는 도 2의 구조와 같이 캐리어 하우징(1), 유지링 하우징(2), 홀더 하우징(3), 유지링 홀더(4), 홀더 샤프트(5), 웨이퍼 지지조립체(6), 유지링(7), 유지링 지지대(9), 장착챔버(10)를 포함하여 구비한다.

상기 캐리어 하우징(1)은 웨이퍼 지지조립체(6)를 통하여 웨이퍼를 연마하는 동안 캐리어 구동샤프트(184) 축은 연마패드면에 대하여 수직이 되도록 구성된다. 상기 장착챔버(10)는 캐리어 하우징(1)과 웨이퍼 지지조립체(6) 사이에 위치하여 하중 즉, 아래 쪽으로 향하는 압력을 웨이퍼 지지조립체(6)에 가한다. 연마패드(120)에 대한 웨이퍼 지지조립체(6)의 수직 위치도 장착챔버(10)에 의하여 제어된다.

웨이퍼 지지조립체(6)는 멤브레인 홀더(6a), 가요성 멤브레인(12), 유지링 지지대(9)와 연결하는 가요성 플렉서(14), 홀더 샤프트 지지대(6b)를 포함하고, 특히, 상기 가요성 멤브레인(12)은 멤브레인 홀더(6a)의 아래쪽에 부착되어 웨이퍼의 장착면을 구성한다. 가요성 멤브레인(12)이 부착된 멤브레인 홀더(6a)와 홀더 샤프트 지지대(6b) 사이에는 밀봉된 공간을 구성하는 압축 가능한 조정챔버(13)를 구성한다.

상기 조정챔버(13)가 압축됨에 따라 가요성 멤브레인(12)의 아래쪽으로 힘이 가해져 웨이퍼가 연마패드에 대하여 압축된다. 상기 캐리어 헤드는 연마될 웨이퍼의 원형 모양에 대응하도록 원형으로 구성되는 것이 일반적이고, 실린더형 홀더 샤프트(5)는 홀더 하우징(3)을 통하여 수직구멍(15)에 장착되도록 구성되고, 2개의 통로(16,17)는 웨이퍼 지지조립체(6)의 장착챔버(10)의 가압 조절을 위하여 캐리어 하우징(1)을 통하여 연장된다. 유지링 지지대(9)는 일반적으로 강성물질로 링형으로 구성되고, 유지링 홀더(4)와 홀더 샤프트 지지대(6b)에 고정되어 있다. 상기 홀더 샤프트(5)의 통로(18)는 홀더 샤프트 지지대(6b)를 통하여 연장되고, 조정챔버(13)의 압력을 조정한다.

유지링 지지대(9)의 하부에는 클램프링(20)이 구성되고, 상기 클램프링의 하부에 블래더(21)를 구성하여 웨이퍼 지지조립체의 멤브레인(12)의 단부의 압력 조정을 할 수 있도록 구성되고, 상기 블래더는 유지링 지지대(9)에 형성되어 조정챔버(13)와 통하는 통로(19)를 갖는다.

상기 블래더는 웨이퍼 지지조립체(6)와 연결되어 웨이퍼 지지조립체의 상하이동을 제어하도록 구성된다.

더 구체적으로는 블래더(21)는 웨이퍼 지지조립체(6)의 멤브레인 홀더 돌출부(22)가 가요성 멤브레인(12)의 단부 영역을 웨이퍼에 대하여 누름으로서 웨이퍼의 단부에 추가압력이 작용하도록 한다. 홀더 샤프트 지지대(6b)는 캐리어 하우징(1)에 대하여 선회할 수 있도록 되어 있고, 홀더 샤프트 지지대가 연마패드의 표면과 실질적으로 평행을 유지하게 된다. 홀더 샤프트 지지대(6b)는 실린더형 홀더 샤프트(5)의 저부와 결합되어 구성되고, 통로(23)를 따라 수직으로 미끄러져 수직 운동하도록 구성되어 있으나 캐리어 하우징(1)에 대한 측면 운동은 일어나지 않는다.

일반적으로 링형인 롤링 플렉서(24)의 내측 에지부는 유지링 하우징(2)의 하부에 형성된 클램프링(25)에 의하여 유지링 하우징(2)에 클램핑되도록 구성되고, 롤링 플렉서(24)의 외측 에지부는 유지링 홀더(4)의 저부에 클램핑되도록 구성된다.

유지링(7)은 볼트 등에 의하여 유지링 지지대(9)의 하부 외측 에지부에 고정되는 환형링이다.

유체가 장착챔버(10)로 펌핑되어 홀더 샤프트 지지대(6b)가 아래쪽으로 밀릴 때 유지링(7) 역시 아래로 밀려 연마패드에 하중을 가하도록 구성된다.

유지링(7)의 바닥 면은 평탄하게 구성되고, 복수의 채널을 구비하여 유지링 외측으로부터 웨이퍼의 슬러리 전송이 용이하도록 구성한다. 유지링의 내면은 웨이퍼와 결합되고 웨이퍼가 캐리어 헤드의 아래쪽 부분으로부터 이탈되는 것을 방지한다.

또, 웨이퍼 지지조립체(6)는 멤브레인 홀더의 돌출부(22), 환형의 하부 클램프(26) 및 환형의 상부 클램프(27)를 포함한다. 상기 돌출부(22)가 구성된 멤브레인 홀더(6a)에는 복수개의 구멍(28)을 형성할 수 있고, 바깥쪽 면은 폭에 대하여 소정의 갭을 가지는 유지링(7)의 내측 면으로부터 분리될 수 있도록 구성된다.

웨이퍼 지지조립체(6)의 플렉서(14)는 평면 환형링으로 구성되고, 플렉서(14)의 내측 에지부는 멤브레인 홀더(6a)와 유지링(7) 사이에 클램핑되며 플렉서 내측의 에지부는 하부 클램프(26)와 상부 클램프(27) 사이에서 클램핑 된다. 플렉서(14)는 유연성과 탄성을 갖도록 네오프랜과 같은 고무 등으로 구성된다.

가요성 멤브레인(12)은 클로르프렌, 에틸렌프로필렌, 고무, 실리콘과 같이 탄성 및 유연성을 갖는 재질을 이용하여 원형 시트 상으로 구성되고, 가요성 멤브레인의 내측부는 멤브레인 홀더(6a)의 둘레에 연장되어 멤브레인 홀더(6a)와, 하부 클램프(26) 사이에 클램핑 되어 외측으로 연장되는 가요성 립부(32)를 포함한다.

상기 립부(32)는 그 외측 림(33)이 웨이퍼를 향하여 경사져 있으므로 만일 조정챔버(13)가 진공으로 되어 가요성 멤브레인(12) 면이 위쪽으로 당겨져도 립부(32)의 림(33)은 여전히 멤브레인의 중앙부 평탄면보다 아래로 돌출되어 있게 된다. 따라서, 상기 멤브레인(12)의 가요성 립부(32)가 웨이퍼 에지부에 밀착되어 웨이퍼와 가요성 멤브레인(12) 사이가 완전히 밀봉될 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성되는 종래의 화학기계적 연마장치(80)의 캐리어 헤드(180)의 구조적인 특징은 웨이퍼 지지조립체(6)를 구성하는 멤브레인 홀더(6a)에 다수의 흡착 구멍(28)을 형성하고, 상기 멤브레인 홀더(6a)의 외면에 멤브레인(12)을 부착하되, 상기 멤브레인 홀더의 가장자리부에 위치하는 멤브레인부에 아래 방향으로 돌출하는 가요성 립부(32)를 일체로 형성함으로서 상기 흡착 구멍을 통하여 멤브레인에 웨이퍼가 진공 흡착되었을 때 상기 멤브레인의 립부가 웨이퍼의 가장자리를 완전히 밀폐하도록 구성하는 것이다.

즉, 상기와 같이 구성되는 종래의 캐리어 헤드의 구조는 가요성 소재의 멤브레인과 웨이퍼를 완전히 밀착시킨 후 흡착 구멍(28)을 통하여 조정챔버(13) 쪽으로 멤브레인을 흡착하여 웨이퍼를 간접적으로 흡착되게 하고, 그 간접 흡착방법을 보강하기 위하여 멤브레인의 가장자리부에 돌출되는 가요성 립부(32)를 일체로 형성하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기의 구조는 웨이퍼에 전달되는 조정챔버(13)의 진공압력이 멤브레인에 전달되는 압력에 비해 상대적으로 작기 때문에 웨이퍼의 흡착시 흡착 오류를 일으킬 수 있으며, 이에 따라, 웨이퍼의 이동 과정 또는 웨이퍼 탈착 과정 중 캐리어 헤드로부터 웨이퍼가 떨어져 웨이퍼 패턴 상의 스크레칭 혹은 웨이퍼 파손으로 이어질 수 있다.

또한, 연마 공정의 완료 후 웨이퍼를 연마패드로부터 떼어 내어 캐리어로 부착시킬 경우에 연마패드 상에 존재하는 연마액 잔여분 혹은 탈이온수로 인해 웨이퍼에 작용되는 표면장력을 깨뜨릴 만큼의 흡착력을 더 필요로 하게 되고, 따라서, 상기 종래의 간접 진공의 구조의 캐리어 헤드의 특성상 원하는 진공 압력을 만들기위해서는 가요성 립부(32) 등에 상대적으로 더 큰 물리적 힘을 가하여 웨이퍼와 멤브레인 사이에 완전한 밀폐공간을 형성한 후 진공을 실시하여야 한다. 따라서, 웨이퍼에 무리한 힘이 가해질 수 있으며, 웨이퍼의 손상 등을 일으킬 수 있다.

또한, 웨이퍼가 캐리어 헤드에 적정한 압력으로 부착되어 있는지를 감지할 수 있는 기능이 추가적으로 필요하고, 캐리어 헤드의 내부 구조가 복잡해 진다.

또, 상기 립부(32)가 형성되는 멤브레인은 웨이퍼의 흡착시에 실패의 확률을 줄이나 립부는 상대적으로 돌출되어 있고, 그 립부의 활용을 위해 웨이퍼가 부착되는 면의 하부로 충분히 연장되도록 공압적 제어가 필요하고 추가적 기능의 설정으로 구조적으로 복잡한 문제를 가지고 있으며, 이 경우에도 별도의 웨이퍼 이탈을 감지하는 내부 센서가 필요하게 된다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다음과 같은 목적을 가진다.본 발명의 주목적은 캐리어 헤드에 직접 진공방법을 이용하여 작은 압력으로 웨이퍼를 부착하고, 웨이퍼의 연마 시 웨이퍼 면에 고른 압력을 가하여 웨이퍼 면이 고르게 연마되도록 하는 캐리어 헤드의 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복잡한 구조의 간접 진공 방법의 웨이퍼 감지장치를 설치할 필요 없이 직접적으로 진공 파이프의 공압 변화를 압력 조절장치로부터 판독하여 웨이퍼의 부착여부를 판단할 수 있는 캐리어 헤드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼의 연마과정 중에 캐리어 헤드에 침투되는 슬러리 찌꺼기 등의 오염물질을 쉽게 제거할 수 있는 캐리어 헤드를 제공하는데 있다.따라서, 본 발명은 전술한 여러 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 캐리어 헤드는, 캐리어 구동샤프트에 의하여 구동되는 캐리어 하우징과, 상기 캐리어 하우징의 하부 중앙에 설치된 링 형상의 홀더 하우징과, 상기 홀더 하우징의 내벽을 따라 상하로 수직 이동 가능한 웨이퍼 지지조립체와, 상기 웨이퍼 지지조립체를 상기 홀더 하우징의 중앙에 형성한 내벽을 따라 상하로 습동 시킬 수 있도록 구성되는 장착챔버를 포함하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서, 상기 웨이퍼 지지조립체는 그 내부에 가압 가능한 조정챔버와 중앙에 구멍이 형성된 멤브레인을 포함하며, 연마작업 중에 상기 조정챔버의 내부에 유입된 가압유체는 상기 멤브레인이 외측으로 팽창하도록 하여 웨이퍼의 뒷면의 일부분에 힘을 미치도록 하고, 상기 멤브레인의 중앙부에 형성된 모서리부는 상기 조정챔버의 내측부로 인입되어 진공파이프에 연결되어 상기 웨이퍼 지지조립체의 흡착수단을 이루며, 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 외측에는 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 상하이동과는 별도로 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 하면을 기준으로 하여 그 하면과 수직방향으로 이동이 가능하도록 유지링(7)을 설치하고, 상기 유지링(7)의 외측에는 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 상하이동과는 별도로 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 하면을 기준으로 하여 그 하면과 수직방향으로 이동이 가능하도록 컨디셔너(37)가 설치되는 것을 특징으로 한다.또, 상기 웨이퍼 지지조립체는 홀더 하우징의 중앙에 형성한 구멍에 삽입되어 수직으로 이동 가능한 홀더샤프트와, 상기 홀더샤프트의 하부에 장착되는 멤브레인 상부홀더와, 상기 멤브레인 상부홀더의 하부에 위치하는 멤브레인 하부홀더와, 상기 멤브레인 상부홀더와 멤브레인 하부홀더에 의해서 양 단부가 고정되어 웨이퍼의 장착면을 제공하는 멤브레인을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.또, 상기 진공파이프에는 압력계의 기능을 구비한 압력조절장치가 부착되어 웨이퍼의 진공도를 측정하여 웨이퍼의 흡착 상태 및 유무를 감지할 수 있도록 한다.

도 1은 일반적인 화학기계적 연마장치의 기술적 구성을 설명하기 위한 입체도 이고,

도 2는 도 1의 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드의 A-A선을 따라 절단하여 나타내는 단면도이고,

도 3은 본 발명의 캐리어 헤드의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼를 진공으로 흡착하였을 때의 구조를 나타내는 단면도이고,

도 5는 본 발명의 캐리어 헤드를 이용하여 가압하였을 때의 구조를 나타내는 단면도이고,

도 6은 본 발명의 캐리어 헤드를 적용하여 웨이퍼를 연마하였을 때 그 웨이퍼 면의 연마 상태를 나타내는 그래프이다.(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 - 캐리어 하우징 2 - 유지링 하우징

3 - 홀더 하우징 4 - 유지링 홀더

5 - 홀더 샤프트 6 - 웨이퍼 지지조립체

7 - 유지링 8 - 멤브레인 상부 홀더

9 - 유지링 지지대 10 - 장착챔버

11 - 멤브레인 하부 홀더 12 - 멤브레인

13 - 조정챔버 14 - 플렉서

16, 17, 19 - 파이프 통로

20, 25 - 클램프링 21 - 블래더

24 -롤링 플렉서 26 -하부 클램프

27 -상부클램프 28 - 흡착 구멍

32 -가요성 립부 34 - 멤브레인 홀더의 통공

35 - 진공파이프 36 - 멤브레인 패드

37 - 컨디셔너 39 - 유지링 챔버

41 - 웨이퍼 흡착부 42 - 컨디셔너 링튜브

43 - 컨디셔너 링하우징 49 - 컨디셔너 링튜브 클램프

50,51,52,53 - 압력파이프 60 - 웨이퍼

80 - 화학기계적 연마장치 82 - 테이블

100a,100b,100c - 연마스테이션

105 - 이송스테이션 110 - 플레이튼

120 - 연마패드 132 - 회전 암

134 - 컨디셔너 헤드 140a,140b - 중간세정스테이션

150 - 다중 헤드캐로슬 152 - 중심축

160a,160b,160c,160d - 캐리어 헤드시스템

180 - 캐리어 헤드 184 - 캐리어 구동샤프트

186 - 캐리어 헤드 회전 모터

이하 도 3내지 도 6을 참고하여 본 발명의 기술적 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 캐리어 헤드에서 웨이퍼를 진공으로 흡착한 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것이고, 도5는 본 발명에 따른 캐리어 헤드에서 웨이퍼를 가압한 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명에 따른 캐리어 헤드를 이용하여 웨이퍼를 연마하였을 때 그 웨이퍼의 연마 상태에 대한 그래프를 도시한 것이다.

캐리어 구동샤프트(미도시)에 고정되는 본 발명의 캐리어 헤드(180)는 캐리어 하우징(1), 홀더 하우징(3), 웨이퍼 지지조립체(6), 유지링 하우징(2), 유지링 홀더(4), 유지링(7), 컨디셔너 링 하우징(43), 컨디셔너(37)를 포함한다.상기 캐리어 하우징(1)은 도시되지 않은 캐리어 구동샤프트에 고정되며, 연마 패드의 표면에 실질적으로 수직한 회전 축선을 중심으로 회전한다.상기 홀더하우징(3)은 캐리어 하우징(1)의 하부 중심에 설치된 링형 바디로서, 그 내벽을 따라 후술하는 웨이퍼 지지조립체(6)가 공압의 작용에 의해서 수직 승하강 가능하며, 웨이퍼 지지조립체(6)가 그 자체의 무게에 의해 아래로 처지게 될 때, 웨이퍼 지지조립체(6)의 최저 위치를 결정케 하도록 그 내벽의 일지점에 단턱이 형성되어 있다.

상기 웨이퍼 지지조립체(6)는 웨이퍼(60)의 수용을 원활히 하기 위한 도구로서, 압력파이프(53)와 연통되는 장착챔버(10)의 작용에 의하여 수직으로 상하 이동되어 높이 조정이 가능하며, 웨이퍼(60)를 웨이퍼 지지조립체(6)에 흡착토록 하는 로딩시 홀더 하우징(3)의 통로를 통하여 공압이 가해져 웨이퍼 지지조립체(6)가 하강하며, 연마 공정 후 웨이퍼(60)의 탈거를 위한 언로딩시에는 상승한다.상기 웨이퍼 지지조립체(6)는 홀더 하우징(3)의 중앙에 형성한 구멍에 삽입되어 수직으로 이동 가능한 홀더샤프트(5)와, 상기 홀더샤프트(5)의 하부에 장착되어 멤브레인(12)의 양 단부를 지지하기 위한 멤브레인 상부홀더(8)와, 상기 멤브레인 상부홀더(8)의 하부에 위치하는 멤브레인 하부홀더(11)와, 상기 멤브레인 상부홀더(8)와 멤브레인 하부홀더(11) 사이에 고정되어 웨이퍼(60)의 장착면을 제공하는 멤브레인(12)를 포함하여 구성된다.

상기 멤브레인 하부홀더(11)와 멤브레인 상부홀더(8)는 그 사이에 형성되는 공간부에 내부의 압력을 조정할 수 있는 조정챔버(13)가 형성되며, 또 그 양 단부에서 멤브레인(12)의 단부가 고정된다.상기 멤브레인 하부홀더(11)는 그 중앙에 통공(34)이 형성되어 있어, 웨이퍼(60)를 연마하는 동안에 상기 조정챔버(13)에 압력이 가해지게 되면, 그 압력은 상기 통공(34)을 통하여 멤브레인(12)의 뒷면에 균일한 압력이 가해져서, 웨이퍼(60)의 뒷면이 미끄러지는 것을 방지하고, 웨이퍼(60) 면에 고른 압력을 전달하여 웨이퍼(60) 면이 고르게 연마되도록 한다.

상기 가요성 멤브레인(12)은 그 하부면에 웨이퍼(60)의 수용면을 제공하고, 웨이퍼(60)의 지름보다 약간 크게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 가요성 멤브레인(12)은 신축성을 갖는 고무 및 실리콘 등의 재질로 구성되고, 특히, 그 중앙부에 형성된 모서리부는 직접 진공을 하기 위해 멤브레인 하부홀더(11)에 형성되는 통공(34)으로 인입되어 진공파이프(35)에 연결되어 웨이퍼 흡착부(41)를 구성한다.

상기 웨이퍼 흡착부(41)는 캐리어 하우징(1)을 통하는 진공파이프(35)에 연통되도록 구성되며, 상기 웨이퍼 흡착부(41)를 통해 공압을 조절하여 진공과 대기압 상태를 유지하며, 진공파이프(35)를 통하여 탈이온수의 공급을 쉽게 함으로서 진공파이프(35) 및 캐리어 헤드(180)의 세정이 용이하도록 한다.상기 유지링 하우징(2)은 캐리어 하우징(1)의 하단부에 부착되어 유지링 홀더(4)와 컨디셔너 링 하우징(43)를 장착할 수 있도록 그 하부에 환형의 홈이 형성되어 있다.상기 유지링 홀더(4)는 유지링 하우징(2)의 내측에 형성한 환형홈에 삽입되어 상하로 수직 이동 가능하도록 형성되고, 상기 유지링 홀더(4)와 유지링 하우징(2) 사이에는 압력파이프(51)와 연통되는 유지링 챔버(39)가 형성된다.상기 유지링(7)은 캐리어 헤드(180) 내부로 오염물질이 침투하지 못하도록 하는 플렉서(14)에 의해서 웨이퍼 지지조립체(6)의 단부에 연결되는 유지링 홀더(4)에 고정됨으로서 압력파이프(51)와 연통된 유지링챔버(39)의 압력을 조절하여 웨이퍼 지지조립체(6)의 수직 이동과는 별도로 상하 이동이 가능하며, 경질의 플라스틱 혹은 세라믹 재료로 제조되며, 평평한 바닥 면(40)을 갖는 환형의 형상으로 구성된다.상기 유지링(7)은 유지링챔버(39)의 공압에 의해 상승과 하강을 하며, 연마를 위해서는 유지링(7)이 하강을 하고, 또 테이블의 플레이튼(미도시)도 상승하게 되며, 위와 같은 상태에서는 상기 유지링(7)은 연마패드(120)와 접촉되어 웨이퍼(60)의 수용 면인 멤브레인(12) 면으로부터 웨이퍼가 이탈되지 않도록 웨이퍼(60)의 수용 공간을 형성한다.

상기 컨디셔너 링 하우징(43)은 유지링 하우징(2)의 외측에 고정 부착되며, 그 하부에 형성한 환형홈에는 컨디셔너 링 튜브 클램프(49)와 컨디셔너 링 튜브(42)가 고정되고, 그 공간부에는 압력파이프(50)와 연통되는 컨디셔너 챔버(38)가 형성된다.상기 컨디셔너(37)는 압력파이프(50)와 연통되어 있는 컨디셔너챔버(38)의 공압 작용에 의하여 웨이퍼 지지조립체(6)의 수직 이동과는 별도로 상하 높이 조정이 가능하도록 구성되며, 연마패드(120)위에 직접 접촉되어 연마패드(120)의 거칠기 조정에 이용할 수 있도록 한다.상기 연마패드(120)의 컨디셔닝은 연마 중에 이루어지는데 연마패드(120)의 종류, 표면성질에 따라 적합한 접촉력을 가하기 위해 적절한 압력제어에 의해 가압한다. 따라서, 상하운동이 가능한 컨디셔너(37)에 의해 웨이퍼(60)의 연마 중 혹은 연마 후에도 연마패드(120)의 컨디셔닝이 가능하다.

도 4를 참조하여 웨이퍼(60)가 흡착되는 과정을 설명한다.

웨이퍼(60)가 로딩컵(미도시)에 의해 상기 캐리어 헤드(180)로 밀어 올려지고 캐리어 헤드(180)는 정지한 상태에서 중앙의 진공파이프(35)를 통하여 진공압력을 걸어 준다. 상기 웨이퍼 흡착부(41)에서는 웨이퍼(60)와 멤브레인(12)의 밀봉에 의해 진공이 형성되며, 진공흡착 후에 연마 과정을 시작하기 위해 유지링 챔버(39)에 압력을 가하여, 유지링(7)을 하방으로 밀게 되고, 이에 따라, 유지링(7)은 하강을 하여 화학기계적 연마공정에서의 연마작업 수행의 대기상태에 있게 된다.

연마 후의 연마패드(120) 위에 놓인 웨이퍼(60)를 상기 캐리어 헤드(180)에 의해 진공 흡착하여야 한다. 상기의 로딩컵(미도시)을 이용할 때 필요한 흡착력 이외에 웨이퍼(60)의 연마 면과 연마패드(120) 사이의 잔여 연마액 혹은 탈이온수로 인해 발생된 표면장력보다 더 큰 흡착력을 필요로 하게 된다. 웨이퍼(60)가 캐리어 헤드의 멤브레인(12)에 접촉하여 진공흡착을 실시할 수 있게 하기 위해 유지링 챔버(39)에 진공압을 걸어주어 유지링(7)을 상승시키고 진공파이프(35)에 진공압력을 걸어 웨이퍼(60)를 흡착하게 된다.

도 5는 웨이퍼(60)의 화학기계적 연마를 위한 각 챔버의 가압상태를 보여준다. 상기 유지링(7)은 하강해 있고, 연마패드(120)가 설치된 플레이튼(미도시)은 상승해 있다. 연마 과정 중 상기 캐리어 헤드(180)로 공급된 유체의 압력은 압력파이프(52)를 통해 상기 조정챔버(13)로 공급되고, 멤브레인(12) 소재의 탄성적 특징에 의해 통공(34) 부분이 열리고 멤브레인(12)은 팽창한다. 압력이 모든 위치에서 균일한 일반 물리적 성질에 의해 웨이퍼(60)에 균등의 압력으로 전해지게 되고, 웨이퍼(60) 흡착 시 웨이퍼 흡착부(41)를 구성하는 홀 부분도 멤브레인(12)의 팽창에 의해 일시적으로 없어지고, 웨이퍼(60) 중앙부에도 역시 균등하게 압력이 가해지게 된다.

또한, 연마패드(120)의 컨디셔닝을 위해 상기 컨디셔너 챔버(38)에 가압하면, 탄성 소재인 상기 컨디셔너 튜브(42)의 팽창이 이루어짐과 동시에 컨디셔너(37)는 하강하여 연마 중 혹은 연마 후 컨디셔닝을 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 화학기계적 연마장치에 따르면 직접 진공을 이용하여 웨이퍼(60)를 부착하므로 웨이퍼(60)가 캐리어 헤드(180)의 수용 압력하에 적절히 수용되어 있는지를 추가적인 기구적 장치가 요구됨이 없이 판별할 수 있다. 만약 웨이퍼(60)가 캐리어 헤드(180)에서 떨어지거나 적절하게 부착되어 있지 않는 경우에는 별도의 기구 없이 캐리어 헤드(180)를 관통하여 설치된 진공 배관내의 직접적인 진공 압력의 변화를 이용한다. 웨이퍼(60)의 이탈 시 압력의 변화는 진공파이프(35)와 연결되어 캐리어 헤드(180)의 외부에 설치된 압력 조절장치(미도시)로 송출되고, 그 송출 값을 측정하여 웨이퍼(60)의 이탈 신호를 받아 공정을 중단하도록 한다.

또한, 본 발명에 의한 연마 장치의 캐리어 헤드의 구조에 있어, 상기 캐리어 헤드(180)와 연마패드(120)의 운동에 의한 연마 공정 중에 유지링(7)을 넘어서서 발생할 가능성이 있는 웨이퍼(60)의 이탈을 감지하기 위해 연마패드(120)에 추가적인 감지장치를 구성할 수 있다.

또한, 화학기계적 연마장치의 문제점 중의 하나가 연마 후 연마패드(120) 상에 남게 되는 잔여 연마액이다. 이 연마액은 연마 후 웨이퍼(60)를 캐리어 헤드(180)로 집어 올리는 과정 중에 남아있는 연마액이 직접 진공 라인으로 유입될 수 있고, 캐리어 헤드(180)의 틈새에 끼일 수 있다. 유입된 연마액을 장기간 방치하게 되면 굳어져서 배관의 일부분에서 유체의 흐름이 원활하지 못하거나 캐리어 헤드(180)의 틈새에 끼어 밀착하여 연마를 위한 운동과정 중 웨이퍼(60)의 긁힘을 유발하거나, 가압으로 캐리어 헤드 내부의 구조장치를 이동시킬 때 마찰을 증가시켜 원활한 움직임을 제한하는 결과를 초래할 수 있다. 상기의 문제점을 보완하기 위해 본 발명은 캐리어 헤드(180)에 웨이퍼(60)가 부착되어 있지 않은 상태에서 즉, 연마 전 혹은 연마 후에 상기 진공파이프(35)를 이용하여 탈이온수를 흘려 간헐적으로 배관의 세정을 할 수 있도록 구성된다.

본 발명에 의한 화학기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 구성한 후 상기 캐리어 헤드(180)를 이용하여 웨이퍼(60)를 연마하고, 그 연마 상태를 측정한 결과 도 5의 그래프와 같이 웨이퍼(60) 면의 위치에 관계없이 균일한 두께로 연마가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가능함은 명백하다.

상기와 같이 본 발명의 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드의 구조는 직접진공을 이용하여 웨이퍼를 흡착하여, 웨이퍼 흡착불량 혹은 흡착실패의 가능성이 적으며 또한 웨이퍼 수용면인 가요성 멤브레인에 웨이퍼가 일정한 진공 압력 하에 수용되어 있는지를 판별하기가 용이하고, 화학기계적 연마의 기계적 신뢰성을 높여 웨이퍼 연마에 대한 재연성을 높일 수 있다.

또한, 진공파이프 혹은 캐리어 헤드의 틈새에 유입될 수 있는 슬러리를 세정하는 기능을 갖추고 있어 오염 등으로부터 화학기계적 연마 장치의 캐리어를 보호할 수 있다. 즉, 상기의 장치에 의하면 웨이퍼의 탈·부착 실패로 인한 화학기계적 연마장치의 작동의 중단을 줄임과 동시에 오염원에 대한 세정 기능을 갖게 하여 공학적으로 신뢰성 높은 장치를 제공함으로서 반도체 공정에서의 생산수율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 캐리어 구동샤프트에 의하여 구동되는 캐리어 하우징(1)과, 상기 캐리어 하우징(1)의 하부 중앙에 설치된 링 형상의 홀더 하우징(3)과, 상기 홀더 하우징(3)의 내벽을 따라 상하로 수직 이동 가능한 웨이퍼 지지조립체(6)와, 상기 웨이퍼 지지조립체(6)를 상기 홀더 하우징(3)의 중앙에 형성한 내벽을 따라 상하로 이동시킬 수 있도록 구성되는 장착챔버(10)를 포함하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 있어서,

   상기 웨이퍼 지지조립체(6)는 그 내부에 가압 가능한 조정챔버(13)와 중앙에 구멍이 형성된 멤브레인(12)을 포함하며, 연마작업 중에 상기 조정챔버(13)의 내부에 유입된 가압유체는 상기 멤브레인(12)이 외측으로 팽창하도록 하여 웨이퍼의 뒷면의 일부분에 힘을 미치도록 하고, 상기 멤브레인(12)의 중앙부에 형성된 모서리부는 상기 조정챔버(13)의 내측부로 인입되어 진공파이프(35)에 연결되어 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 흡착수단을 이루며,

   상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 외측에는 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 상하이동과는 별도로 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 하면을 기준으로 하여 그 하면과 수직방향으로 이동이 가능하도록 유지링(7)을 설치하고,

   상기 유지링(7)의 외측에는 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 상하이동과는 별도로 상기 웨이퍼 지지조립체(6)의 하면을 기준으로 하여 그 하면과 수직방향으로 이동이 가능하도록 컨디셔너(37)가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지조립체(6)는 홀더 하우징(3)의 중앙에 형성한 구멍에 삽입되어 수직으로 이동 가능한 홀더샤프트(5)와, 상기 홀더샤프트(5)의 하부에 장착되는 멤브레인 상부홀더(8)와, 상기 멤브레인 상부홀더(8)의 하부에 위치하는 멤브레인 하부홀더(11)와, 상기 멤브레인 상부홀더(8)와 멤브레인 하부홀더(11)에 의해서 양 단부가 고정되어 웨이퍼(60)의 장착면을 제공하는 멤브레인(12)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 진공파이프(35)에 세정액을 공급하는 세정장치가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 진공파이프(35)와 연결되어 그 진공압력을 측정할 수 있는 측정수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드.