KR20100007649A - 화학기계적 연마 장치용 실리콘 멤브레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 화학기계적 연마장치 캐리어 내부의 지지판에 장착되어 웨이퍼 후면에 연마압력을 전달하는 실리콘 멤브레인에 관한 것이다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인은, 지지판과 접촉하는 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면과, 웨이퍼 후면과 접촉하는 바깥쪽 밑면을 포함하며, 상기 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면 중 적어도 한 면의 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05㎛ 내지 1.2㎛이고 상기 바깥쪽 밑면의 제곱평균제곱근 거칠기 값이 1.8㎛ 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.

화학기계적 연마, 캐리어, 멤브레인, 실리콘

Description

화학기계적 연마 장치용 실리콘 멤브레인{SILICONE MEMBRANE FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}

도 1은 캐리어의 일례를 나타내는 단면도,

도 2는 멤브레인의 작동을 설명하기 위한 캐리어의 단면도,

도 3은 멤브레인이 지지판에서 떨어지는 메카니즘을 설명하기 위한 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인의 단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인의 변형 예를 나타내는 단면도,

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인의 다른 변형 예들을 나타내는 단면도들이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

510, 515, 520, 530: 실리콘 멤브레인

512, 522, 532: 안쪽 밑면

514, 524, 534: 안쪽 옆면

516, 526, 536: 안쪽 윗면

518, 528, 538: 바깥쪽 밑면

556: 돌출구조

본 발명은 화학기계적 연마장치용 멤브레인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 화학기계적 연마장치 캐리어 내부의 지지판에 장착되어 웨이퍼 후면에 연마압력을 전달하는 실리콘 멤브레인에 관한 것이다.

반도체 집적회로의 미세화와 다층화가 요구되면서, 반도체 제조 공정 중 소정의 단계에 웨이퍼 표면을 평탄화(planarization) 하거나 웨이퍼 표면에 형성된 도전층을 선택적으로 제거할 필요가 생겼다. 이와 같은 필요성에 의해 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)가 반도체 제조 공정에 널리 사용되고 있다.

웨이퍼의 화학기계적 연마는 일반적으로 플래튼(platen) 위에 연마패드를 부착하고 캐리어(carrier) 또는 캐리어 헤드(carrier head)라고 불리는 웨이퍼 장착 기구에 웨이퍼를 장착한 후 슬러리를 연마패드에 도포하면서 플래튼과 캐리어를 동시에 회전시켜 연마패드와 웨이퍼 간의 마찰을 일으킴으로써 이루어진다. 이때, 캐리어에 장착된 웨이퍼에 적절한 연마압력을 인가하여 연마속도를 조절하는데, 이를 위해 캐리어 내부에 멤브레인(membrane)을 탑재하여 실링(sealing) 한 후 캐리어 외부에서 기압을 인가시킴으로써 연마압력을 웨이퍼 후면에 인가시킬 수 있다. 멤브레인은 일반적으로 네오프렌 고무(Neoprene rubber), 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber), 실리콘 고무(silicone rubber)등과 같이 신축성이 좋은 물질로 이루어지며 두께는 0.5mm 내지 1.5mm 정도이다.

도 1은 캐리어(100)의 일례를 나타내는 단면도이다. 화학기계적 연마장치의 캐리어(100)는 회전축(110)으로부터 동력을 전달받는 베이스(base)(120)를 기초로 구성되어 있다. 먼저, 베이스(120) 하부에 리테이닝 링(retaining ring)(130)이 장착되는데, 리테이닝 링(130)은 연마공정 중 웨이퍼(200)의 이탈을 방지하는 역할을 한다. 리테이닝 링(130) 안쪽에는 멤브레인(300)이 디스크 형태의 지지판(140)에 장착되는데, 지지판(140)에는 나사공(도시하지 않음)이 형성되어 볼트(도시하지 않음)를 이용하여 클램프(150)를 지지판(140)에 조립하면서 다이어프램(diaphragm)(160)과 멤브레인(300)을 눌러주어 멤브레인(300)의 기밀성을 유지한다. 또한, 멤브레인(300) 및 지지판(140)은 클램프(150)에 의해 다이어프램(160)에 부착되고 다이어프램(160)은 베이스(120)와 리테이닝 링(130) 사이에 압착되어 캐리어(100) 내부는 주변으로부터 실링(sealing)되고 내부에 챔버(chamber)(170)를 형성한다.

도 2는 멤브레인(300)의 작동응 설명하기 위한 캐리어(100)의 단면도이다. 기체통로(112)를 통해 소정의 기압(예컨대 P1)을 인가하면 인가된 기압은 실링되어 있는 챔버(170) 및 지지판(140)에 형성된 구멍(142)을 통해 멤브레인(300)에 작용하여(작은 화살표로 표시) 멤브레인(300)을 팽창시킨다. 이와 같이 멤브레인(300)을 팽창시키는 기압이 웨이퍼(200) 후면에 연마 압력으로 작용하게 된다. 그런데, 화학기계적 연마 시 멤브레인(300)과 웨이퍼(200)의 접촉 시간이 길어지면 멤브레인(300)과 웨이퍼(200) 후면이 접착되는 수가 있으며 이로 인해 웨이퍼가 깨지는 경우가 있다.

멤브레인(300)을 지지판(140)에 장착할 때, 멤브레인(300)의 신축성을 이용하여 늘린 다음에 지지판(140)을 멤브레인(300) 내부에 넣는다. 이때, 멤브레인(300)이 늘어나면 도 3에 도시된 바와 같이 장력 T가 작용한다. 네오프렌 고무나 에틸렌 프로필렌 고무로 제작된 멤브레인의 경우 멤브레인이 지지판에 잘 부착되기 때문에 상기 장력으로 인한 문제가 없으나 기존의 실리콘 고무로 제작된 멤브레인의 경우 부착력이 적어 도 3에 나타낸 바와 같이 멤브레인(300)이 지지판(140)의 윗면(144)과 옆면(146)에서 떨어지는 경우가 발생한다. 이와 같이 멤브레인(300)이 지지판(140)에서 떨어지게 되면 다이어프램(도시하지 않음) 및 클램프(도시하지 않음)와 조립이 어려우며 조립 후에는 멤브레인(300)의 기밀성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지지판에 장착 시 지지판에 잘 부착되면서 화학기계적 연마 시에는 웨이퍼 후면과의 접착이 억제되는 실리콘 멤브레인을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 화학기계적 연마장치 캐리어 내부의 지지판에 장착되는 실리콘 멤브레인은, 지지판과 접촉하는 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면과, 웨이퍼 후면과 접촉하는 바깥쪽 밑면을 포함하며, 상기 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면 중 적어도 한 면의 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05 ㎛ 내지 1.2㎛이고 상기 바깥쪽 밑면의 제곱평균제곱근 거칠기 값이 1.8㎛ 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인(510)의 단면도이다. 멤브레인(510)은 지지판(도시하지 않음)과 접촉하게 되는 안쪽 밑면(512), 안쪽 옆면(514), 안쪽 윗면(516)과 연마 시 웨이퍼(도시하지 않음) 후면과 접촉하게 되는 바깥쪽 밑면(518) 등으로 구성된다. 실리콘 멤브레인(510)은 금형(mold)을 이용하여 프레스 공정 등으로 제작되며 경도 값은 Shore A 값으로 30 내지 70 정도이다. 조립을 위해 지지판(도시하지 않음)을 멤브레인(510) 내부에 넣을 때, 멤브레인(510) 안쪽 옆면(514) 및 안쪽 윗면(516)이 지지판에서 쉽게 떨어지는 것을(도 3 참조) 방지하기 위하여 안쪽 옆면(514) 및 안쪽 윗면(516)의 점착성을 증가시키는 것이 바람직한데, 이를 위하여 안쪽 옆면(514)과 안쪽 윗면(516)을 매끄럽게 한다. 표면이 매끄러우면 지지판과의 접촉 면적이 많아지므로 점착성이 증가하는데, 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05㎛ 내지 1.2㎛인 것이 바람직하다. 상기 면을 매끄럽게 하는 방법으로는 멤브레인 성형 시 이용되는 금형에서 상기 면을 형성하는 금형의 면(도시하지 않음)을 연마하거나 도금함으로써 금형의 면을 매끄럽게 하는 방법이 바람직하다. 반면에, 연마 시 웨이퍼 후면과 접촉하게 되는 바깥쪽 밑면(518)은 비점착성을 갖는 것이 웨이퍼와의 접착을 최소화 할 수 있는데, 이를 위하여 바깥쪽 밑면(518)의 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 1.8㎛ 내지 20㎛ 되도록 하여 표면을 거칠게 한다. 바깥쪽 밑면(518)을 거칠게 하는 방법으로는 멤브레인 성형 시 이용되는 금형에서 상기 바깥쪽 밑면(518)을 형성하는 금형의 면(도시하지 않음)을 거칠게 하는 방법이 바람직하다. 이를 위하여 상기 금형의 면을 에칭(etching) 시킴으로써 무광 처리하거나 상기 금형의 면을 선반 등으로 거칠게 기계 가공하거나 샌딩(sanding) 할 수 있다. 안쪽 밑면(512)은 바깥쪽 밑면(518)처럼 거칠게 하여도 되고 안쪽 옆면(514) 및 안쪽 윗면(516)처럼 매끄럽게 처리하여도 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 멤브레인(515)의 변형 예를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이 멤브레인(515)의 안쪽 윗면(516)에 돌출구조(556)가 형성되어 멤브레인(515)이 지지판(도시하지 않음)에 장착된 후 클램프(도시하지 않음)로 누르면 오링(O-ring)과 같이 리크(leak)를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다. 이와 같이 돌출구조가 멤브레인의 안쪽 면이나 바깥쪽 면에 형성될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인(520, 530)의 단면도들로서 매끄러운 안쪽 면을 형성하는 다른 방법을 나타낸다.

먼저 도 6을 참조하면, 멤브레인(520)의 바깥쪽 밑면(528)은 상술한 바와 같이 제곱평균제곱근 거칠기가 1.8㎛ 내지 20㎛ 되도록 거칠게 하고 안쪽 면들(522, 524, 526) 중에서 안쪽 윗면(526)만 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05㎛ 내지 1.2㎛ 되도록 매끄럽게 형성한다. 멤브레인(520)을 지지판(도시하지 않음)에 장착하고 나서 밑면의 장력(도 3 참조)이 세지 않을 경우 도시된 바와 같이 안쪽 윗면(526)만 점착성을 띄어도 멤브레인(520)이 지지판에 부착될 수 있다.

도 7을 참조하면, 멤브레인(530)의 바깥쪽 밑면(538)은 상술한 바와 같이 제곱평균제곱근 거칠기가 1.8㎛ 내지 20㎛ 되도록 거칠게 하고 안쪽 면들(532, 534, 536) 중에서 안쪽 옆면(534)만 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05㎛ 내지 1.2㎛ 되도록 매끄럽게 형성한다. 안쪽 옆면(534)이 지지판(도시하지 않음)에 부착되면, 멤브레인(530) 장착 후 밑면의 장력(도 3 참조)이 세지 않을 경우 안쪽 윗면(536)에 장력이 거의 전달되지 않기 때문에 안쪽 윗면(536)이 지지판으로부터 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 멤브레인은 안쪽과 바깥쪽이 서로 다른 표면 거칠기를 갖고 있어 지지판에는 점착이 잘 되면서 웨이퍼와의 접착은 억제한다. 그럼으로써 멤브레인을 캐리어 지지판에 장착할 때 멤브레인이 떨어지는 불량을 줄여주고 연마 시에는 웨이퍼가 멤브레인에 달라붙는 것을 억제할 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (2)

1. 웨이퍼 화학기계적 연마장치 캐리어 내부의 지지판에 장착되는 실리콘 멤브레인으로서,

   지지판과 접촉하는 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면과;

   웨이퍼 후면과 접촉하는 바깥쪽 밑면;

   을 포함하며,

   상기 안쪽 옆면 및 안쪽 윗면 중 적어도 한 면의 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기 값이 0.05㎛ 내지 1㎛이고 상기 바깥쪽 밑면의 제곱평균제곱근 거칠기 값이 1.8㎛ 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 멤브레인.
2. 제 1항에서,

   상기 안쪽 윗면에 돌출 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 멤브레인.

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