KR20000071788A - 기판의 화학 기계적 연마를 위한 캐리어 헤드 - Google Patents

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KR20000071788A
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KR1020000021464A
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스티븐엠. 주니가
헝치 첸
Original Assignee
조셉 제이. 스위니
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 화학기계식 연마를 개선시키기 위해 기판과 결합하는 신축 가능한 립부를 갖춘 가요성 멤브레인을 포함하는 화학기계식 연마 장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다. 립부는 캐리어 헤드 내의 챔버의 압력 변화에 따라 기판과 함께 밀봉을 형성하거나 파괴할 수 있다.

Description

기판의 화학 기계적 연마를 위한 캐리어 헤드 {A CARRIER HEAD FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING A SUBSTRATE}
본 발명은 기판의 화학 기계적 연마에 관한 것이며, 보다 상세하게는 기판의 화학 기계적 연마를 위한 캐리어 헤드에 관한 것이다.
집적회로는 통상적으로, 전도체, 반도체 또는 절연체 층들의 순차적인 피복에 의해 기판, 특히 실리콘 웨이퍼상에 형성된다. 각각의 층이 피복된 후에는 회로의 피이처(features)들이 형성되도록 에칭된다. 일련의 층들이 순차적으로 피복 및 에칭되므로, 기판의 외측 또는 최외측 표면, 즉 기판의 노출면은 점진적으로 비평탄화가 진행된다. 이러한 비평탄화 표면은 집적회로 제조공정의 사진석판술 단계에 있어서 문제점들을 유발한다. 그러므로, 기판 표면은 주기적으로 평탄화되어야 한다.
화학 기계적 연마(CMP)는 평탄화를 실행하는 방법중의 하나이다. 이러한 평탄화 방법에 있어서는 통상적으로, 기판이 캐리어 또는 연마 헤드에 장착되어야 한다. 기판의 노출면은 회전 연마헤드에 마주보게 놓인다. 연마헤드는 "표준형" 또는 고정식 연마 패드일 수 있다. 표준형 연마 패드는 지속적인 표면 거칠기를 갖는 반면에, 고정식 연마 패드는 봉합체 내에 유지된 마모성 미립자를 가진다. 캐리어 헤드는 기판을 연마헤드에 대해 가압하도록 제어가능한 하중, 즉 압력을 기판상에 공급한다. 적어도 하나의 화학 반응제를 갖는 연마 슬러리 및 표준형 패드 사용시의 마모성 미립자들이 연마 패드의 표면으로 공급된다.
CMP 공정의 효율성은 기판 표면의 최종적인 다듬질 정도(소규모 표면거칠기의 부재시) 및 평활도(대규모 표면거칠기의 부재시)와 연마율에 의해 측정된다. 연마율, 다듬질 정도 및 평활도는 패드 및 연마 슬러리의 조합물, 기판과 패드의 상대 속도 및 패드에 대한 기판의 가압력에 의해 결정된다.
CMP 공정에 있어서의 하나의 문제점은 종종 기판 중앙부가 다른 부분보다 덜 연마된다는 점이다. "센터 슬로우 효과(center slow effect)"라 불리는 이러한 문제점은 압력이 기판의 배면에 불균일하게 가해지는 경우에 발생한다.
다른 문제점은 일단 연마가 완료된 후에 연마 패드면으로부터 기판을 제거하는 것이 어렵다는 점이다. 언급한 바와 같이, 슬러리 층이 연마 패드의 표면으로 공급된다. 기판이 연마 패드와 접촉하면, 슬러리의 표면장력에 의해 기판을 연마 패드에 결합시키는 접합력이 발생되는데, 이러한 접합력은 기판을 패드로부터 제거하는데 어려움을 초래한다.
통상적으로, 기판은 캐리어 헤드의 하부에 진공-척에 의해 고정되며, 이렇게 고정된 기판을 연마헤드로부터 제거하는데 캐리어 헤드가 사용된다. 캐리어 헤드가 연마헤드로부터 제거될 때, 기판은 패드를 들어올리게 된다. 그러나, 기판을 연마 패드에 유지하는 표면장력이 기판을 캐리어 헤드에 유지하는 진공-척에 의한 고정력보다 크면, 기판은 캐리어 헤드가 제거될 때 연마 패드 상에 그대로 유지되게 된다. 이는 기판의 파괴를 유발하게 된다. 또한, 기판 제거의 실패에 의해 수동 작업을 요하는 기계적 결함을 초래하여, 연마장치의 작동중지로 인한 생산력을 절감시키게 된다. 연마 장치의 신뢰성있는 작동을 달성하기 위해서는 기판 제거공정을 완전하게 실현해야 한다.
기판과 연마 패드 사이의 표면장력을 감소시키기 위한 여러 방법이 시행되어 왔다. 그러한 방법중에 하나는 캐리어 헤드를 수직으로 후퇴시키기 이전에 표면장력을 차단하도록 연마 패드가 떨어질 수 있게 기판을 수평으로 미끄럼시키는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 연마 패드의 가장자리를 미끄럼시키므로 기판의 긁힘 또는 기타의 손상을 초래한다. 또한, CMP 장치의 기계적 구성상 이러한 방법은 사용될 수 없다.
다른 방법으로는 표면 장력을 감소시키기 위해 연마 패드의 표면을 처리하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 항상 성공적일 수 없으며, 이러한 패드 표면의 처리에 의해 기판의 다듬질 정도 및 평활도에 악영향을 끼쳐 연마율을 감소시킨다.
또다른 방법으로는 대기압이 진공-척고정 공정에 간섭하는 것을 배제하기 위한 밀봉을 형성하도록 기판의 가장자리에 하향 압력을 가하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 캐리어 헤드에 대한 복잡한 공압제어를 필요로 한다. 또한, 캐리어 헤드는 압력을 기판의 가장자리에 제공할 수 있는 구조를 갖고 있지 않다.
본 발명은 기판이 연마 패드에 용이하게 장전 및 제거될 수 있으며, 기판과 가요성 멤브레인 사이에 유지된 공기를 제거함으로써 연마중에도 균일한 하중을 기판에 가할 수 있는 기판의 화학 기계적 연마를 위한 캐리어 헤드를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 화학 기계적 연마장치의 확대 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 개략적인 횡단면도.
도 3은 가요성 멤브레인의 가장자리에 있는 가요성 립부를 도시하는 도 2 캐리어 헤드의 확대도.
도 4a는 기판을 연마 패드로부터 제어하는 방법을 설명하기 위한 도 2 캐리어 헤드의 개략도.
도 4b는 기판을 연마 패드로부터 제어하는 방법을 설명하기 위한 도 2 캐리어 헤드의 개략도.
도 5는 가요성 멤브레인의 에지부가 립부의 위로 연장되어 있는 캐리어 헤드의 횡단면도.
도 6은 가요성 멤브레인이 신축가능한 립부를 포함하고 있는 캐리어 헤드의 개략적인 횡단면도.
도 7a는 도 6의 캐리어 헤드를 사용하여 기판을 연마 패드 상에서 연마하는 방법을 도시하는 도면.
도 7b 및 도 7c는 도 6의 캐리어 헤드를 사용하여 기판을 연마 패드로부터 제거하는 방법을 도시하는 도면.
도 7d는 도 6의 캐리어 헤드를 사용하여 기판을 캐리어 헤드로부터 제거하는 방법을 도시하는 도면.
도 8은 신축가능한 립부 및 분리형 고정구를 갖춘 가요성 멤브레인을 포함하는 캐리어 헤드의 개략적인 횡단면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기판 22 : 화학 기계적 연마 장치
25 : 연마 스테이션 27 : 이송 스테이션
30 : 평판 32 : 연마 패드
40 : 패드 컨디셔너 장치 50 : 슬러리
52 : 슬러리/세정 아암 60 : 다중헤드 캐로슬
66 : 캐로슬 지지 플레이트 68 : 커버
70 : 캐리어 헤드 시스템 74 : 캐리어 헤드 구동축
100,100a,100b,100c : 캐리어 헤드
102 : 하우징 104 : 기저부
106 : 짐벌 기구 108 : 적재 챔버
110 : 유지링 112 : 기판 지지 조립체
114 : 지지체
118,118a,118b,118c : 가요성 멤브레인
170 : 지지 플레이트
186,186a,206,206c : 립부
190 : 압축가능한 챔버 208 : 스페이서 링
220 : 포켓
본 발명의 일면은 기판을 화학 기계적으로 연마하기 위한 캐리어 헤드에 관한 것이다. 캐리어 헤드는 기저부와 가요성 멤브레인을 가지며, 상기 가요성 멤브레인은 가압 챔버를 한정하도록 기저부의 아래쪽으로 연장한다. 가요성 멤브레인의 하부면은 기판의 장착표면을 제공한다. 상기 가요성 멤브레인은 내측부 및 신축가능한 외측의 립부를 포함한다. 상기 립부는 가압 챔버의 압력변화에 따라 팽창 또는 수축될 수 있게 구성되며 장착표면에 위치된 기판에 대해 밀봉을 형성하거나 해제할 수 있게 배열된다.
본 발명의 실시예에는 다음과 같은 사항이 포함된다. 가요성 멤브레인부분은 상기 립부를 한정하도록 접혀질 수 있다. 상기 립부는 가압챔버와 유체연통되는 포켓을 포함한다. 상기 립부는 상부, 하부 및 상기 상부와 하부 사이에 위치된 포켓을 포함한다. 또한, 상기 가요성 멤브레인은 상부에 결합되는 에지부를 포함한다. 가요성 멤브레인은 에지부에 결합되는 제 1 단부 및 유지링에 고정되는 제 2 단부를 갖춘 환형 날개부를 포함한다. 상기 립부의 구조적 일체성을 유지하도록 상기 립부의 에지부를 스페이서가 감싸고 있다. 상기 립부는 챔버가 진공화될 때 기판에 대한 밀봉을 형성한다. 상기 립부는 챔버에 압력이 공급될 때 기판에 대한 밀봉을 해제한다.
본 발명의 다른 일면은 화학 기계적 연마방법에 관한 것이다. 기판은 캐리어 헤드의 가요성 멤브레인의 표면에 위치되며, 가요성 멤브레인은 캐리어 헤드 내에 가압 챔버를 형성하고 챔버와 유체 연통된 신축가능한 립부를 포함한다. 상기 가압챔버는 팽창된 립부를 수축시키고 기판에 대한 밀봉을 형성하도록 압력이 공급 또는 배출된다. 기판은 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이송된다.
본 발명의 장점은 다음과 같다. 기판은 연마 패드에 쉽게 장전 및 제거될 수 있다. 기판과 가요성 멤브레인 사이에 유지된 공기를 제거함으로써 연마중에 균일한 하중을 기판에 가할 수 있다.
본 발명의 다른 장점 및 특징들은 도면 및 청구범위를 포함한 다음의 상세한 설명으로 명확해 진다.
본 발명의 다수의 도면들에 있어서 동일한 참조부호는 동일한 부품을 나타내며, 도면 부호에 문자가 병기된 것은 그 부품이 변형된 기능, 작동 또는 구조를 갖는다는 것을 의미한다.
도 1에서, 화학 기계적 연마(CMP)장치(20)에 의해 하나 또는 그 이상의 기판(10)이 연마될 것이다. 본 발명의 참고문헌인 미국특허 제5,738,574호에, 유사한 CMP 장치에 대한 설명이 개시되어 있다.
CMP 장치(20)는 테이블 상부(table top; 23)가 설치된 하부 기저부(lower machine base; 22) 및 제거 가능한 상부 외측 커버(미도시)를 포함한다. 테이블 정부(23)는 일련의 연마 스테이션(25)과, 기판의 장착 및 탈착용 이송 스테이션(transfer station; 27)을 지지한다. 이송 스테이션은 3개의 연마 스테이션과 함께 일반적으로 정방형 배열을 형성할 수 있다.
각 연마 스테이션은, 연마 패드(32)가 위에 놓이는 회전 가능한 평판(platen; 30)을 포함한다. 만일 기판(10)이 지름 8인치(200mm) 또는 12인치(300mm)의 디스크이면, 평판(30) 및 연마 패드(32)의 지름은 각각 약 30 또는 32인치일 것이다. 평판(30)은 기저부(22) 내부에 위치하는 평판 구동 모터(미도시)에 연결될 수 있다. 대부분의 연마 공정에 대해, 평판 구동 모터는, 비록 보다 높거나 낮은 속도가 사용될 수도 있지만 30 내지 200rpm으로 평판을 회전시킨다. 연마 패드의 연마 조건을 유지하기 위해, 각 연마 스테이션은 결합된 패드 컨디셔너 장치(associated pad conditioner apparatus; 40)를 추가로 포함할 수 있다.
결합식 슬러리/세정 아암(combined slurry/rinse arm; 52)에 의해, 슬러리(50)를 함유하는 반응제(예를 들어 산화물 연마를 위한 탈이온수) 및 화학적 반응성 촉매(예를 들어 산화물 연마를 위한 수산화칼륨)가 연마 패드(32) 표면에 공급될 수 있다. 연마 패드(32)가 표준형 패드라면, 슬러리(50)는 연마재 입자(예를 들어 산화물 연마를 위한 이산화규소)를 포함할 수 있다. 슬러리는 연마 패드(32) 전체를 커버하여 적시는데 충분하게 공급되는 것이 전형적이다. 슬러리/세정 아암(52)은 각 연마 및 컨티셔닝 사이클에서 연마 패드(32)를 고압으로 세정하는 수 개의 분사 노즐(미도시)을 포함한다.
캐로슬 지지 플레이트(carousel support plate; 66) 및 커버(68)를 포함하는 회전 가능한 다중헤드 캐로슬(multi-head carousel; 60)은 하부 기저부(22) 위에 위치한다. 캐로슬 지지 플레이트(66)는 센터 포스트(62)에 의해 지지되며, 기저부(22) 내에 위치하는 캐로슬 모터 조립체에 의해 캐로슬 축선(64) 주위로 회전한다. 다중헤드 캐로슬(60)은 캐로슬 축선(64) 주위에 동일 각 간격으로 캐로슬 지지 플레이트(66) 위에 장착되는 4개의 캐리어 헤드 시스템(70)을 포함한다. 캐리어 헤드 시스템 중 3개는 기판을 수용 및 유지하고 연마 스테이션의 연마 패드에 대하여 누름으로써 연마한다. 캐리어 헤드 시스템의 1개는 기판을 이송 스테이션(27)으로부터 받고 이송 스테이션(27)으로 보낸다. 캐로슬 모터는 캐리어 헤드 시스템, 따라서 그에 부착된 기판을, 연마 스테이션과 이송 스테이션 사이에서 캐로슬 축선(64) 주위로 선회시킬 수 있다.
각 캐리어 헤드 시스템은 연마 헤드 또는 캐리어 헤드(100)를 포함한다. 각 캐리어 헤드(100)는 그 자신의 축에 대해 독립적으로 회전하며, 캐로슬 지지 플레이트(66) 내에 형성된 반경방향 슬롯(radial slot; 72) 내에서 측방향으로 독립적으로 진동한다. 캐리어 구동축(74)은 슬롯(72)을 통해 연장되어 캐리어 헤드 회전 모터(76)(커버(68)를 1/4 제거하여 나타냄)를 캐리어 헤드(100)에 연결한다. 각 헤드에는 하나의 캐리어 구동축과 모터가 있다. 각 모터와 구동축은 슬라이더(미도시)에 지지될 수 있는데, 이 슬라이더는 반경방향 구동 모터에 의해 슬롯을 따라 직선적으로 구동되어 캐리어 헤드를 측방향으로 진동시킨다.
실제 연마를 하는 동안, 캐리어 헤드 중 3개는 3개의 연마 스테이션 위에 위치한다. 각 캐리어 헤드(100)는 기판을 낮추어 연마 패드(32)와 접하게 한다. 일반적으로 캐리어 헤드(100)는 기판을 연마 패드에 대향하는 위치에 유지하며 기판 뒷면을 가로질러 힘을 분배한다. 캐리어 헤드는 또 구동축으로부터 기판으로 토크를 전달한다.
도 2 및 도 3에서 캐리어 헤드(100)는, 하우징(102), 기저부(104), 짐벌 기구(gimbal mechanism; 106), 장착 챔버(108), 유지링(retaining ring; 110) 및 기판 지지 조립체(112)를 포함한다. 유사한 캐리어 헤드에 대한 설명이, 본 발명의 참고문헌으로 그 전체 개시내용이 개시된, 1997년 5월 21일 출원되었고 발명의 명칭이 A CARRIER HEAD WITH A FLEXIBLE MEMBRANE FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM이며 Zuniga 등이 발명하여 본 발명의 출원인에게 양도한 미국특허출원 08/861,260호에 개시되어 있다.
하우징(102)은 구동축(74)에 연결되어, 연마하는 동안 회전축(107) 둘레를 회전할 수 있으며, 이 축은 연마하는 동안 연마 패드 면에 대해 실질적으로 수직이다. 장착 챔버(108)는 하우징(102)과 기저부(104) 사이에 위치하여 하중 즉 아래쪽으로 향하는 압력을 기저부(104)에 가한다. 연마 패드(32)에 대한 기저부(104)의 수직위치 역시 장착 챔버(108)에 의해 제어된다.
기판 지지 조립체(112)는 지지체(114), 지지체(114)를 기저부(104)에 연결하는 만곡 다이아프램(flexure diaphragm; 116), 지지체(114)에 연결된 가요성 부재, 즉 멤브레인을 포함한다. 가요성 멤브레인(118)은 지지체(114)의 아래쪽으로 연장되어 기판 장착면(192)을 제공한다. 가요성 멤브레인(118), 지지체(114), 만곡 다이아프램(116), 기저부(104) 및 짐벌 기구(106) 사이의 밀봉된 부피는 압축가능한 챔버(190)를 규정한다. 챔버(190)가 압축됨에 따라 가요성 멤브레인(118)에 아래쪽으로 힘이 가해져 기판이 연마 패드에 대해 압축된다. 제 1 펌프(미도시)가 챔버(190)에 유체연통하게 연결되어 챔버 내 압력을 조절함으로써 가요성 멤브레인의 하방력이 기판 위에 작용한다.
하우징(102)은 연마될 기판의 원형 모양에 대응하도록 원형인 것이 일반적이다. 실린더형 부싱(122)은 하우징을 통하여 수직 구멍(124)에 장착될 수 있으며, 2개의 통로(126, 128)는 캐리어 헤드의 기압 조절(pneumatic control)을 위해 하우징을 통해 연장될 수 있다.
기저부(104)는 일반적으로 강성 물질로 형성되는 링형 부재이며 하우징(102) 아래에 위치한다. 통로(130)는 기저부를 통해 연장될 수 있으며, 2개의 고정체(132, 134)는, 하우징(102) 및 기저부(104) 사이에 가요성 튜브(flexible tube)를 연결하기 위한 부착점(attachment point)을 제공하여, 통로(128)를 통로(130)와 유동적으로 결합시킬 수 있다.
탄성 및 가요성 멤브레인(140)은, 클램프링(142)에 의해 기저부(140) 하부면에 부착되어 블래더(bladder; 144)를 한정할 수 있다. 클램프링(142)은 스크류 또는 볼트(미도시)에 의해 기저부(104)에 고정될 수 있다. 제 2 펌프가 유체, 예를 들어 공기와 같은 가스를 블래더 내로 또는 블래더로부터 밖으로 안내하여 지지체(114)로의 하방력을 제어하기 위해 블래더(144)에 연결된다. 구체적으로 블래더(144)는, 지지체(114)의 지지 플레이트(170)로부터 돌출부(179)를 유발시켜 가요성 멤브레인(118)의 중앙 영역을 기판(10)에 대해 누름으로써, 기판의 중앙부에 추가 압력을 제공하는데 사용될 수 있다.
짐벌 기구(106)는 기저부(104)가 하우징(102)에 대해 선회할 수 있게 하여, 기저부가 연마 패드의 표면과 실질적으로 평행할 수 있다. 짐벌 기구(106)는 실린더형 부싱(122)을 통해 통로(154) 내로 결합되는 짐벌로드(150)와 기저부(104)에 고정되는 만곡링(152)을 포함한다. 짐벌로드(150)는 통로(154)를 따라 수직으로 미끄러져 기저부(104)의 수직운동을 제공할 수 있으나, 하우징(102)에 대한 기저부(104)의 측면 운동은 어떠한 것도 일어나지 않게 한다.
일반적으로 링형인 롤링 다이아프램(160)의 내측 에지는 내측 클램프링(162)에 의해 하우징(102)에 클램핑될 수 있다. 외측 클램프링(164)은 롤링 다이아프램(160)의 외측 에지를 기저부(104)에 클램핑할 수 있다. 제 3 펌프(미도시)는 장착 챔버(108)에 유동적으로 연결되어 장착 챔버 내의 압력 및 기저부(104)에 가해지는 하중을 조절할 수 있다.
유지링(110)은 예를 들어 볼트(미도시)에 의해 기저부(104)의 외측 에지에 고정되는 환형링(annular ring)이다. 유체가 장착 챔버(108)로 펌핑되어 기저부(104)가 아래로 밀릴 때, 유지링(110) 역시 아래로 밀려 연마 패드(32)에 하중을 가한다. 유지링(110)의 바닥면(194)은 실질적으로 편평하거나, 복수의 채널을 가져 유지링 바깥으로부터 기판으로의 슬러리 전송을 용이하게 할 수 있다. 유지링(110)의 내면(196)은 기판과 결합하여, 기판이 캐리어 헤드의 아래쪽 부분으로부터 벗어나는 것을 방지한다.
기판 지지 조립체(112)의 지지체(114)는 지지 플레이트(170), 환형의 하부 클램프(172) 및 환형의 상부 클램프(174)를 포함한다. 지지 플레이트(170)는 복수의 구멍이 형성된 디스크형 강성부재(rigid member)일 수 있다. 지지 플레이트(170)의 바깥쪽 면은 폭이 약 3mm인 갭을 가지는 유지링(110)의 내측면(196)으로부터 분리될 수 있다. 폭(W1)이 약 2∼4mm, 예를 들어 3mm인 환형 리셋스(annular recess; 178)가 지지 플레이트(170)의 바깥쪽 에지에 형성될 수 있다. 게다가 돌출부(179)(도 3 참조)는 지지 플레이트 바닥면의 중앙 부위로부터 아래쪽으로 연장될 수 있다. 돌출부는 캐리어 필름을 지지 플레이트의 바닥에 부착함으로써 형성되거나, 지지 플레이트와 일체로 형성될 수 있다. 지지 플레이트(170)는, 돌출부(179) 위쪽의 영역을 통하는 구멍을 포함하지 않을 수도 있다. 이와 달리 구멍은 지지 플레이트와 돌출부 모두를 지나 연장될 수도 있다.
기판 지지 조립체(112)의 만곡 다이아프램(116)은 일반적으로 평면 환형링이다. 만곡 다이아프램(116)의 내측 에지는 기저부(104)와 유지링(110) 사이에 클램핑되며, 만곡 다이아프램(116)의 외측 에지는 하부 클램프(172)와 상부 클램프(174) 사이에서 클램핑된다. 만곡 다이아프램(116)은, 비록 반경방향 및 접선방향으로는 단단하여도 유연성과 탄성이 있다. 만곡 다이아프램(116)은 네오프렌과 같은 고무; NYLON(상표)이나 NOMEX(상표)와 같은 중합체가 코팅된 직물; 또는 유리섬유와 같은 복합재료로 형성될 수 있다.
가요성 멤브레인(118)은 일반적으로 클로로프렌, 에틸렌 프로필렌 고무 또는 실리콘과 같이 탄성 및 유연성이 있는 물질로 형성되는 원형 시트이다. 가요성 멤브레인(118)은 내측부(180), 지지 플레이트(170)의 둘레로 연장되어 지지 플레이트(170)와 하부 클램프(172) 사이에 클램핑될 환형 에지부(182), 내측부(180)와 에지부(182) 사이에서 접합부(184)로부터 바깥쪽으로 연장되어서 캐리어 헤드에 장착된 기판 둘레부와 접하는 가요성 립부(flexible lip portion; 186)를 포함한다. 접합부(184)는 일반적으로 지지 플레이트(170)의 리셋스(178) 내에 위치하며, 내측부(180) 또는 에지부(182)보다 예를 들어 약 2배 두껍다.
립부(186)는, 쐐기형이며, 접합부의 두께와 거의 같은 두께로부터, 그 외측 림(188)에서는 가요성 멤브레인(118) 내측부(180)의 두께와 거의 같은 두께로까지 되도록 경사질 수 있다. 립부(186)의 외측 림(188)은 기판을 향하여 각져 있을 수 있다. 구체적으로 립부는 아래쪽으로 충분히 연장되어, 만일 챔버(190)가 진공으로 되고 가요성 멤브레인(118)이 위쪽으로 당겨져도, 립부(180)의 림(188)은 여전히 지지 플레이트(170) 위의 돌출부(179) 아래로 연장된다. 이에 따라, 돌출부(179)가 기판 에지에의 압력 작용을 방지하여도, 기판과 가요성 멤브레인(118) 사이가 밀봉될 수 있다. 이하 자세히 설명되는 바와 같이, 립부(186)는 연마 패드로부터의 기판 제거를 돕는다.
한 실시예에서, 가요성 멤브레인(118)의 내측부 및 에지부는 약 29∼33mm의 두께일 수 있으며, 반면 접합부는 약 60∼66mm 두께이며 에지부로부터 약 1∼5mm, 예를 들어 3.5mm 안쪽으로 연장될 수 있다. 립부는 내측부(180)로부터 아래쪽으로 약 0∼30˚ 예를 들어 15˚ 정도 연장될 수 있으며, 에지부(182)를 너머 약 1∼5mm 예를 들어 3.5mm 연장될 수 있다.
상술한 바와 같이, CMP에서 반복적으로 일어나는 문제 중 하나는 기판 중심의 연마가 완전하지 않다는 점이다. 중심부 지연 효과(center slow effect)를 감소 또는 제거하기 위해 캐리어 헤드(100)가 사용될 수 있다. 구체적으로, 기판 수용면 부근의 일반적으로 원형인 접촉 부위에서 가요성 멤브레인의 상부면과 접하는 돌출부(179)를 지지 플레이트(170)에 설치함으로써, 연마가 불완전할 수 있는 기판 중심 영역에 블래더(144)에 의해 추가의 압력을 가할 수 있다. 이 추가 압력은 기판 중심에서의 연마 속도를 증가시켜, 연마의 균일성을 개선하고, 전체 내용이 본 발명의 참고문헌으로 개시된 1997년 8월 8일자 출원 미국특허출원 08/907,810호에 개시되어 있는 중심 지연 효과를 감소시킨다.
연마가 완료되었을 때, 유체가 챔버(109)로부터 배출되어서 기판을 가요성 멤브레인(118)에 진공-척고정(vacuum-chuck)시킨다. 그리고 장착 챔버(108)가 진공으로 되어, 기저부(104) 및 지지체(114)를 연마 패드로부터 들어올린다.
상술한 바와 같이, CMP의 다른 문제점은 기판을 연마 패드로부터 제거하는 것이다. 그러나 캐리어 헤드(100)는 이 문제를 실질적으로 제거한다.
도 4a(도 4a 및 도 4b에는 단순화를 위해 기판을 부착 및 제거하는데 관계되는 부품만이 도시되어 있다)에서, 챔버(190)가 진공으로 될 때, 가요성 멤브레인(118)의 내측부(180)는 안쪽으로 당겨진다. 이에 따라 기판 뒷면과 가요성 멤브레인의 지지면 사이의 부피에 압력 강하가 발생된다. 압력 강하에 따라 립부(186)가 기판의 둘레부에 대해 위축되어 이들 사이에 밀봉이 형성된다. 이에 따라 가요성 멤브레인에 대해 기판을 효율적으로 진공-척고정된다. 따라서 장착 챔버(108)가 진공으로 되면, 기판(10)은 캐리어 헤드에 고정적으로 유지될 것이다. 게다가 밀봉은 유체를 밀봉하는데 충분하므로, 밀봉을 형성하기 위해 기판의 둘레에 걸쳐 가요성 멤브레인의 일부에 추가의 하향 압력을 가하지 않아도 된다. 그 결과 밀봉은 캐리어 헤드 내의 추가적인 기압 조절 없이 수행될 수 있다.
도 4b에서, 캐리어 헤드로부터 기판을 제거하기 위해, 유체는 챔버(190) 내로 펌핑된다. 이에 따라 내측부(180)가 바깥쪽으로 부풀어오름으로써, 접합부(184)가 아래쪽으로 선회하게 된다. 결과적으로, 립부(186)는 위쪽으로 선회하여, 기판으로부터 멀리 들어올려진다. 이에 따라 가요성 멤브레인과 기판 사이의 밀봉이 파괴되고, 가요성 멤브레인 내측부로부터의 하향 압력에 의해 기판이 캐리어 헤드로부터 제거된다. 접합부(184)의 두께는 강성이 충분히 제공될 수 있도록 선택되어, 가요성 멤브레인의 내측부가 아래쪽으로 힘을 받을 때, 립부가 위쪽으로 확실히 선회하도록 되어야 한다.
도 5를 참조하면, 캐리어 헤드(100a)는 립부(186a)에 대해 접혀지는 가요성 멤브레인을 포함하고 있다. 이러한 구성의 장점은 지지 플레이트(170)의 외부 원통형 표면과 유지링(111)의 내부면 사이의 갭이 보다 작다는 점이다. 가요성 멤브레인(118a)의 에지부(182a)는 접합부(184a)에 연결되도록 립부(186a)를 넘어 연장하는 접힘부(198)를 포함하고 있다. 이러한 접힘부(198)는 지지 플레이트(170)에 형성된 리셋스(178a) 내로 끼워맞춤될 수도 있다. 지지 플레이트(170)는 지지 플레이트와 일체로 형성된 돌출부(179)를 또한 포함할 수도 있다.
다른 실시예를 도시한 도 6을 참조하면, 캐리어 헤드(100b)는 가요성 멤브레인(118b)을 갖추고 있는데, 이러한 가요성 멤브레인은 내측부(180b), 지지 플레이트(170)의 에지부 둘레로 연장하는 환형 에지부(200), 에지부(200)의 상단부(204)로부터 유지링(110)과 기저부(104)로 반경방향으로 외부로 연장하여 이들 사이에 고정되는 날개부(202), 및 캐리어 헤드 내에 적재된 기판의 둘레부와 접촉하는 신축가능한 둘레 립부(206)를 포함하고 있다. 날개부(202)는 가요성 멤브레인에 일체로 결합되고, 도 3 및 도 5의 만곡부(116)를 대신한다. 에지부(200)는 일반적으로 날개부(202)와 신축가능한 립부(206) 사이에 위치된다. 스페이서 링(208)은 날개부와 에지부 사이의 갭 내로 연장하는 내부 연장 플랜지(210)를 포함하고 있다. 챔버(190)가 가압되는 경우, 스페이서 링은 일반적으로 신축가능한 립부(206)의 구조적 형태를 유지하기 위해 에지부를 둘러싸고 있다. 이에 대해서는 이후에 기술되어 있다.
연장가능한 립부(206)는 에지부(200)와 가요성 멤브레인(118b)의 내측부(180b)로부터 외부를 향해 반경방향으로 연장되어 있다. 립부(206)는 둘레부(200)와 내측부(180b) 사이의 가요성 멤브레인의 일부분을 상부 단편(216)과 하부 단편(218) 내로 접음으로써 형성될 수도 있다. 상부 단편(216)과 하부 단편(218) 사이의 공간은 챔버(190)와 유체연통하는 포켓(220)을 한정한다. 신축가능한 립부(206)의 외부 림(222)은 기판을 향해 각이질 수도 있다. 특히, 신축가능한 립부(222)가 지지 플레이트(170) 상의 돌출부(179) 아래로 연장하도록 신축가능한 립부(206)는 하부로 충분히 연장되어야 한다. 이는 돌출부(179)가 기판의 에지부로 압력이 가해지는 것이 방해되더라도 기판과 가요성 멤브레인(118b) 사이에 밀봉이 형성될 수 있도록 한다.
일구성에서, 가요성 멤브레인(118b)의 내측부(180b)는 약 29 내지 33 mils의 두께를 가질 수도 있다. 립부(206)는 내측부(180b)로부터 약 0 내지 30°의 각도로, 즉 15°의 각도로 하부로 연장될 수도 있으며, 에지부(200)를 넘어서 약 1 내지 5 mm, 즉 3.5 mm 정도 연장될 수도 있다.
도 7a를 참조하면, 캐리어 헤드(100b)는 연마 공정 동안 기판에 균일한 하중을 가하도록 사용된다. 연마 공정을 수행하기 위해, 기판(10)은 먼저 가요성 멤브레인(118b)에 진공-척고정되고, 연마 패드(32) 상에 위치된다. 진공-척고정 과정은 챔버(190)를 배출하고, 기판(10)과 가요성 멤브레인(118b)의 신축가능한 립부(206) 사이에 밀봉을 형성함으로써 수행된다. 이러한 과정 동안, 공기는 가요성 멤브레인과 기판 사이에서 포획될 수도 있다. 포획된 공기가 제거되지 않는다면, 연마 공정 동안 강성 물체, 즉 지지 플레이트로부터 하방으로 연장하는 돌출부를 통해 기판의 후방측에 하중이 가해지는 경우 기판 상에 힘이 가해질 수도 있는데, 이에 의해 기판으로 하중이 균일하게 가해지지 않게 된다.
신축가능한 립부(206)는 포획된 공기를 제거하기 위한 통로를 제공한다. 연마 패드(32) 상의 기판을 놓은 후에, 챔버를 가압하고 기판으로 균일한 하중을 가하기 위해 유체가 챔버(190) 내로 펌핑된다. 챔버(190)와 유체연통하는 신축가능한 립부(206)의 포켓(220)은 또한 유체의 유입에 의해 가압되고, 신축가능한 립부(206)를 팽창시킨다. 화살표(AA)는 챔버(190)와 포켓(220)의 가압을 나타낸다. 포켓이 가압될 때, 신축가능한 립부(206)가 팽창된다. 립부의 팽창은 기판으로부터 멀어지는 방향으로 가요성 멤브레인의 림을 가압하는데, 이에 의해 립부와 기판 사이의 밀봉이 파괴된다. 결과적으로, 가요성 멤브레인(118b)과 기판 사이에서 포획될 수도 있는 공기는 연마 공정의 개시 시점에서 기판에 하중이 가해지는 경우에 제거된다.
가압 과정에 걸쳐서, 에지부(200)를 둘러싸는 스페이서 링(208)은 챔버(190)와 포켓(220) 내의 압력이 에지부(200)를 과도하게 미는 것을 방지하고 신축가능한 립부(206)가 변형되는 것을 방지함으로써 신축가능한 립부(206)가 구조적 형태를 유지할 수 있도록 한다.
도 7b 및 도 7c를 참조하면, 신축가능한 립부(206)는 연마 공정 후에 연마 패드로부터 기판을 제거하는 신뢰성있는 수단을 제공한다. 연마 공정이 완료되면, 챔버(190)는 연마 패드로부터 기판을 제거하기 위해 배출된다. 화살표(BB)는 챔버(190)의 배출을 나타낸다. 챔버(190)의 배출은 신축된 립부(206)를 파괴시키고, 화살표(CC)로 도시된 바와 같이 대기압이 신축가능한 립부(206) 상에 가해진다. 스페이서(208)는 신축가능한 립부(206)에 가해지는 대기압을 도시하기 위해 도시하지 않았다.
또한, 챔버(190)의 배출은 도 7c에 도시된 바와 같이 가요성 멤브레인(118b)을 상방으로 상승시킨다. 가요성 멤브레인(118b)의 상승에 의해 가요성 멤브레인(118b)과 기판 사이의 저압 영역(281)이 형성된다. 가요성 멤브레인(118b)에 걸친 압력차는 립부(206)를 기판에 대항하여 강하게 가압시킨다. 립부(206)와 기판 사이의 밀봉력은 기판으로부터 가요성 멤브레인(118b)을 분리시키기 위한 힘에 비례한다. 따라서, 캐리어 헤드(100b)가 연마 패드로부터 기판을 제거하기 위해 상승될 때 립부(206)는 기판을 견고하게 유지한다.
도 7d는 연마 공정 후에 캐리어 헤드(100b)로부터 기판을 제거하는 과정을 도시하고 있다. 기판이 캐리어 헤드에 고정되면, 캐리어 헤드(100b)는 기판을 연마 패드(32)로부터 상승시키지 않으며, 캐리어 헤드가 전달 스테이션(도시되지 않음) 위에 위치될 때까지 캐로슬(carousel)이 회전한다. 챔버(190)와 포켓(220)은 화살표(DD)로 도시된 바와 같이 가압된다. 에지부(200)를 둘러싸는 스페이서(208)는 챔버(190)와 포켓(220) 내의 압력이 에지부(200)를 과도하게 미는 것을 방지하고 신축가능한 립부가 변형되는 것을 방지함으로써 신축가능한 립부(206)가 구조적 형태를 유지할 수 있도록 한다. 챔버(190)와 포켓(220)의 가압은 가요성 멤브레인(118b)을 팽창시키고, 신축가능한 립부(206)를 팽창시킨다. 립부의 팽창은 기판으로부터 멀어지는 방향으로 가요성 멤브레인의 림을 가압하는데, 이에 의해 립부와 기판 사이의 밀봉이 파괴된다. 신축가능한 립부(206)는 연마 공정 후에 챔버(190)와 포켓(220)을 가압함으로써 연마 패드로부터 기판을 제거하는 신뢰성있는 수단을 제공한다.
또다른 실시예를 도시한 도 8을 참조하면, 캐리어 헤드(100c)는 유지링(110)에 고정된 만곡부(116) 및 지지 플레이트(170)와 하부 클램프(172) 사이에 고정되는 림(224)을 갖춘 가요성 멤브레인(118c)을 포함하고 있다. 가요성 멤브레인(118c)은 신축가능한 립부(206c)를 포함하고 있다. 스페이서(208c)는 챔버(190)가 가압될 때 신축가능한 립부(206c)의 구조적 형태를 유지하도록 에지부(200c)를 둘러싸고 있다.
도 8에 도시된 캐리어 헤드(100c)의 연마 및 기판 제거 과정은 상기한 캐리어 헤드(100b)의 과정과 실질적으로 유사하다.
비록 본 발명이 여러 실시예들로 기술되었지만, 본 발명은 이들 실시예들로 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 변형 및 개조가 가능하다.
상기한 본 발명에 따르면, 기판은 연마 패드에 용이하게 장전 및 제거될 수 있으며, 기판과 가요성 멤브레인 사이에 유지된 공기를 제거함으로써 연마중에도 균일한 하중을 기판에 가할 수 있다.

Claims (17)

  1. 기판의 화학 기계적 연마용 캐리어 헤드로서,
    기저부와,
    가압가능한 챔버를 한정하도록 기저부 아래에서 연장하는 가요성 멤브레인을 포함하며,
    상기 가요성 멤브레인의 하부면은 기판을 위한 장착면을 제공하며, 상기 가요성 멤브레인은 내측부 및 외부 신축가능한 립부를 포함하며, 상기 립부는 팽창하거나 수축하도록 구성되고 상기 챔버 내의 압력 변화에 따라 상기 장착면에 대항하여 위치된 기판과 함께 밀봉을 형성하거나 파괴하도록 배열된 캐리어 헤드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가요성 멤브레인의 일부는 상기 립부를 형성하도록 접혀지는 캐리어 헤드.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 립부는 상기 챔버와 유체연통하는 포켓을 포함하는 캐리어 헤드.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 립부는 상부 단편, 하부 단편, 및 상기 상부 단편과 하부 단편 사이에 위치된 포켓을 포함하는 캐리어 헤드.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 가요성 멤브레인은 상기 상부 단편에 결합된 에지부를 더 포함하는 캐리어 헤드.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 가요성 멤브레인은 날개부를 더 포함하며, 상기 날개부는 상기 에지부에 결합된 제 1단부 및 상기 유지링에 고정된 제 2단부를 갖춘 캐리어 헤드.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 립부의 구조적 형태를 유지하도록 상기 립부의 에지부를 둘러싸고 있는 스페이서를 더 포함하는 캐리어 헤드.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 립부는 상기 챔버가 배출될 때 상기 기판과 상기 밀봉을 형성하는 캐리어 헤드.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 챔버가 가압될 때 상기 립부는 상기 기판과 함께 밀봉을 파괴하는 캐리어 헤드.
  10. 기판의 화학 기계적 연마용 캐리어 헤드로서,
    기저부와,
    가압가능한 챔버를 한정하고 기판을 위한 장착면을 제공하도록 기저부 아래에서 연장하는 가요성 멤브레인을 포함하며,
    상기 가요성 멤브레인은 신축가능한 립부를 한정하는 접힘부를 포함하며, 상기 립부는 상기 챔버가 배출될 때 기판의 둘레 영역과 함께 밀봉을 형성하도록 구성되고 배열된 캐리어 헤드.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 챔버가 가압될 때 상기 립부는 상기 기판과 함께 밀봉을 파괴하는 캐리어 헤드.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 립부는 포켓을 포함하는 캐리어 헤드.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 포켓은 상기 챔버와 유체연통하는 캐리어 헤드.
  14. 화학 기계적 연마 장치에 있어서,
    회전가능한 연마 패드와,
    기저부 및 가압가능한 챔버를 한정하도록 상기 기저부 아래에서 연장하는 가요성 멤브레인을 갖춘 캐리어 헤드를 포함하며,
    상기 가요성 멤브레인의 하부면은 기판을 위한 장착면을 제공하며, 상기 가요성 멤브레인은 상기 기판이 상기 장착면에 대항하여 위치되도록 배치된 신축가능한 립부를 포함하며, 상기 립부는 상기 챔버 내의 압력 변화에 따라 상기 기판과 함께 밀봉을 형성하거나 파괴하도록 구성된 캐리어 헤드.
  15. 화학 기계적 연마 방법으로서,
    캐리어 헤드의 가요성 멤브레인의 장착면에 대항하여 기판을 위치시키는 단계로서, 상기 가요성 멤브레인이 상기 캐리어 헤드 내에서 가압가능한 챔버를 한정하고 상기 챔버와 유체연통하는 신축가능한 립부를 포함하는, 단계와,
    상기 신축가능한 립부를 수축시키고 상기 기판과 함께 밀봉을 형성하도록 상기 챔버를 배출시키는 단계와, 그리고
    상기 기판을 제 1위치로부터 제 2위치로 이송하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 화학 기계적 연마 방법으로서,
    캐리어 헤드의 가요성 멤브레인의 장착면에 대항하여 기판을 위치시키는 단계로서, 상기 가요성 멤브레인이 상기 캐리어 헤드 내에서 가압가능한 챔버를 한정하고 상기 챔버와 유체연통하는 신축가능한 립부를 포함하는, 단계와,
    연마 패드 상에 상기 기판을 위치시키는 단계와, 그리고
    상기 기판과 상기 립부 사이의 밀봉을 파괴하기 위해 상기 립부가 팽창하도록 상기 챔버를 가압하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 화학 기계적 연마 방법으로서,
    캐리어 헤드의 가요성 멤브레인의 장착면에 대항하여 기판을 위치시키는 단계로서, 상기 가요성 멤브레인이 상기 캐리어 헤드 내에서 가압가능한 챔버를 한정하고 상기 챔버와 유체연통하는 신축가능한 립부를 포함하는, 단계와,
    상기 기판을 연마하는 단계와,
    상기 기판을 연마한 후에 상기 립부와 기판 사이에 밀봉을 형성하도록 상기 챔버를 배출시키는 단계와,
    연마 패드로부터 하역 스테이션으로 상기 기판을 이송하는 단계와, 그리고
    상기 기판과 상기 립부 사이의 상기 밀봉이 파괴되도록 상기 립부를 수축시키기 위해 상기 챔버를 가압함으로써, 상기 하역 스테이션 상에 상기 기판을 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
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