KR101252751B1 - 성형 표면을 갖는 유지 링 - Google Patents

Abstract

유지 링은 바닥 표면 내에 성형된 프로파일을 형성하도록 링의 바닥 표면을 기계 가공 또는 랩핑 가공함으로써 성형될 수 있다. 상기 유지 링의 바닥 표면은 평탄부, 경사부 및 곡면부를 포함할 수 있다. 랩핑 가공은 유지 링의 바닥 표면을 랩핑 가공하는데 사용되는 머신을 사용하여 수행될 수 있다. 랩핑 가공 중에, 링은 링의 축선 주위에서 자유롭게 회전될 수 있다. 유지 링의 바닥 표면은 곡면부 또는 평탄부를 가질 수 있다.

Description

성형 표면을 갖는 유지 링 {RETAINING RING WITH SHAPED SURFACE}

본 발명은 화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링에 관한 것이다.

집적 회로는 통상적으로, 전도체, 반도체, 또는 절연체 층들을 실리콘 기판 상에 순차적으로 증착함으로써 기판 상에 형성된다. 하나의 제조 단계는 필러 층(filler layer)을 비-평탄 표면 상에 증착하고, 비-평탄 표면이 노출될 때까지 필러 층을 평탄화하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 전도체 필러 층은 절연체 층 내의 트렌치(trench) 또는 홀(hole)을 충진시키도록 패턴화된 절연체 층 상에 증착될 수 있다. 그 후에, 필러 층은 절연체 층의 돌출 패턴이 노출될 때까지 연마된다. 평탄화 후에, 절연체 층의 돌출 패턴들 사이에 남아 있는 전도체 층 부분들은 기판 상의 박막 회로들 사이에 통전로(conductive path)를 제공하는 비아(via), 플러그 및 라인을 형성한다. 또한, 평탄화는 포토리소그래피용 기판 표면을 평탄화하는데 필요하다.

화학 기계적 연마(CMP)는 평탄화를 가능하게 하는 하나의 방법이다. 이러한평탄화 방법은 통상적으로, 기판이 CMP 장치의 캐리어 또는 연마 헤드 상에 장착될 것을 필요로 한다. 기판의 노출 표면은 회전 연마 디스크 패드 또는 벨트 패드에 대향되게 놓인다. 연마 패드는 표준형 패드 또는 고정식 연마 패드일 수 있다. 표준형 패드는 내구성을 갖는 거친 표면을 가지는 반면에, 고정식 연마 패드는 봉합체(containment media) 내에 유지되는 연마 입자를 가진다. 캐리어 헤드는 기판 연마 패드에 대해 압박하기 위해 기판 상에 제어가능한 부하를 제공한다. 기판은 유지 링을 갖춘 캐리어 헤드 아래에 유지된다. 연마 입자를 포함하는 슬러리와 같은 연마액은 연마 패드의 표면으로 공급된다.

일면에 있어서, 본 발명은 소자 기판(device substrate)의 연마에 사용하지 않는 유지 링에 관한 것이다. 유지 링은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면 및 바닥표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 가진다. 바닥 표면은 소자 기판의 연마에 따른 유지 링의 브레이크-인(break-in)의 결과에 따른 평형 표면 특성(equilibrium surface characteristic)과 실질적으로 일치되는 타겟 표면 특성을 가진다.

다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 볼록한 형상을 가지며 바닥 표면 전체에 있어서 높이 차가 0.001 내지 0.05 mm이다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 내경 표면에 인접한 일반적으로 수평인 부분 및 외경 표면과 인접한 경사진 부분을 포함한다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 내경 표면 및 외경 표면에 인접한 일반적으로 수평인 부분 및 둥근 코너 부분 가진다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 내경 표면에 인접한 볼록 부분 및 외경 표면에 인접한 오목 부분을 가진다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 상기 상부 표면에 인접한 내경 표면, 상기 상부 표면에 인접한 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 내경 표면에 인접한 경사진 제 1 부분 및 상기 외경 표면에 인접한 경사진 제 2 부분을 가지며, 상기 제 1 부분은 제 2 부분에 대해 평탄하지 않다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 상부 표면, 상기 상부 표면에 인접한 내경 표면, 상기 상부 표면에 인접한 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형의 몸체를 갖는 화학 기계적 연마기용 유지 링에 관한 것이며, 여기서 상기 바닥 표면은 내경 표면과 외경 표면 사이에 하나 이상의 절두 원추형 표면을 가지며, 바닥 표면 전체에 있어서 높이 차가 0.002 내지 0.02 mm이다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링의 바닥 표면을 랩핑하는데 사용하기 위한 제 1 머신을 사용하여 바닥 표면을 랩핑함으로써 형성되는 성형된 반경 프로파일을 구비한 바닥 표면을 갖는 환형 몸체를 갖춘 유지 링에 관한 것이다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 바닥 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 캐리어 헤드에 부착할 수 있도록 구성된 상부 표면을 갖는 환형 몸체를 갖는 유지 링에 관한 것이며, 여기서 유지 링은 상이한 표면 거칠기를 갖는 제 1 부분과 제 2 부분을 포함한다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 바닥 표면, 내경 표면, 외경 표면, 캐리어 헤드에 부착할 수 있도록 구성된 상부 표면, 제 1 곡률 반경을 갖는, 상기 내경 표면과 바닥 표면 사이의 내측 에지, 및 상기 제 1 곡률 반경과 상이한 제 2 곡률 반경을 갖는, 상기 외경 표면과 바닥 표면 사이의 외측 에지를 갖는 환형 몸체를 갖는 유지 링에 관한 것이다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 바닥 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 캐리어 헤드에 부착할 수 있도록 구성된 상부 표면을 갖는 환형 몸체를 갖는 유지 링에 관한 것이며, 여기서 유지 링의 바닥 표면은 폴리아미드-이미드를 포함한다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 또한 랩핑 머신에 관한 것이다. 상기 랩핑 머신은 회전반, 상기 회전반에 결합되는 복수의 억제 아암(restraining arm)을 가지며, 각각의 억제 아암은 회전반의 회전 경로를 따라 물체가 이동하는 것을 방지하는 반면에, 물체 내의 하나 이상의 지점 주위에서 물체가 회전하는 것을 가능하게 한다. 상기 랩핑 머신은 또한, 공압 공급원과 진공원을 하나 이상의 물체를 결합하여 공압과 진공이 물체에 동시에 가해질 수 있게 작동할 수 있는 어댑터를 가진다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 예정된 프로파일을 유지 링의 바닥 표면에 형성하는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 랩핑 테이블과 유지 링 홀더를 가진다. 하나 이상의 랩핑 테이블과 유지 링 홀더는 차등 압력을 유지 링의 폭에 걸쳐서 가할 수 있도록 구성된다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 타겟 표면 특성을 제공하도록 환형 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거하는 단계를 포함하는 유지 링을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 제거 단계는 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거하는 제 1 머신을 사용하여 수행되며, 타겟 표면 특성은 소자 기판의 연마를 위해 사용되는 제 2 머신 상의 유지 링의 브레이크-인(break-in)에 기인된 평형 표면 특성과 실질적으로 일치된다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 표면 프로파일을 유지 링의 바닥 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다. 환형 유지 링의 바닥 표면은 일반적으로 평탄한 연마면과 접촉되게 유지된다. 상기 바닥 표면과 연마면 사이에는 비-회전 운동이 발생되어, 바닥 표면이 평형 형상에 도달할 때까지 바닥 표면을 연마시킨다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링의 형성 방법에 관한 것이다. 내경 표면, 외경 표면, 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 유지 링이 형성된다. 바닥 표면은 예정된 비-평탄 프로파일을 제공하도록 랩핑 처리된다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링을 형성하는 방법에 관한 것이다. 내경 표면, 외경 표면, 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 유지 링이 형성된다. 바닥 표면은 예정된 비-평탄 프로파일을 제공하도록 기계 가공된다.

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또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링을 형성하는 방법에 관한 것이다. 내경 표면, 외경 표면, 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 유지 링이 형성된다. 상기 바닥 표면은 두 개 이상의 환형 영역을 갖도록 성형되며, 적어도 하나 이상의 상기 영역은 상부 표면과 평행하지 않다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링을 형성하는 방법에 관한 것이다. 내경 표면, 외경 표면, 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 유지 링이 형성된다. 상기 바닥 표면은 내경으로부터 외경으로 하나 이상의 절두 원추형 표면을 제공하도록 성형되며, 상기 바닥 표면 전체에 있어서 높이 차는 0.002 내지 0.02 mm이다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링의 성형 방법에 관한 것이다. 바닥 표면을 갖는 유지 링이 제공된다. 상기 바닥 표면은 바닥 표면에 성형된 반경 방향의 프로파일을 형성하도록 랩핑 처리되며, 랩핑 처리는 유지 링의 바닥 표면을 랩핑 처리하는데 사용되는 제 1 머신을 사용하여 수행된다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링의 성형 방법에 관한 것이다. 바닥 표면을 갖는 유지 링이 제공된다. 상기 바닥 표면은 바닥 표면에 성형된 반경 방향의 프로파일을 형성하도록 랩핑 처리되며, 랩핑 처리 중에 상기 유지 링은 링의 축선을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다.

또 다른 일면에 있어서, 본 발명은 유지 링의 사용 방법에 관한 것이다. 환형 유지 링의 바닥 표면은 타겟 표면 특성을 갖도록 랩핑 처리되며, 랩핑 처리는 유지 링의 바닥 표면을 랩핑 처리하는데 사용되는 제 1 머신을 사용하여 수행된다. 유지 링은 캐리어 헤드 상에 고정된다. 복수의 소자 기판이 캐리어 헤드를 사용하는 제 2 머신에 의해 연마되며, 여기서 타겟 표면 특성은 제 2 머신 상의 유지 링의 브레이크-인에 기인된 평형 표면 특성과 실질적으로 일치한다.

본 발명의 실시에 의해 다음과 같은 하나 이상의 장점을 제공한다. 유지 링의 바닥 표면의 반경 방향 프로파일은 기판 에지에서의 연마 균일도를 개선하도록 성형될 수 있다. 예를 들어, 적은 내경을 갖는 유지 링은 저속 에지 연마를 제공하는 반면에, 큰 내경을 갖는 유지 링은 고속 에지 연마를 제공한다. 유지 링의 반경 방향 프로파일은 연마 중에 유지 링이 마모되면서 바닥 표면의 반경 방향 프로파일의 어떠한 변경도 감소시키거나 제거하도록 특정 공정에 대해 성형될 수 있다. 마모되면서 프로파일을 변경시키지 않는 유지 링은 에지 연마 비율에서 향상된 기판 대 기판 균일도를 제공한다. 유지 링은 어떠한 브레이크-인 공정도 감소시키거나 경감시킬 수 있는 소정의 반경 방향 프로파일로 성형됨으로써, 머신의 작동 중지시간 및 소유 비용을 감소시킬 수 있다. 브레이크-인 주기가 감소되거나 제거되므로, 유지 링은 보통 긴 브레이크-인 주기를 필요로 하는 고 내마모성 재료로 형성될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 세부 사항들이 첨부 도면 및 다음의 설명에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 장점들은 다음의 설명, 도면, 및 청구범위로부터 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유지 링의 개략적인 사시도로 도시한 부분 횡단면도이며,

도 2는 도 1의 유지 링의 개략적인 확대 횡단면도이며,

도 3 내지 도 12는 유지 링의 대체 실시예를 도시하는 개략적인 횡단면도이며,

도 13은 선반의 개략적인 측면도이며,

도 14는 기계 가공장치의 개략적인 측면도이며,

도 15 내지 도 25는 랩핑 처리장치 및 그 구성요소의 개략도이며,

도 26 및 도 27은 유지 링 및 유지 링 홀더의 개략도이다.

이후, 다수의 도면에 있어서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

유지 링(100)은 일반적으로, CMP 장치의 캐리어 헤드에 고정될 수 있는 환형 링이다. 적합한 CMP 장치는 미국 특허 제 5,738,574호에 설명되어 있으며, 적합한 캐리어 헤드는 미국 특허 제 6,251,215호에 설명되어 있으며, 이들 특허의 모든 내용은 본 발명에 참조되었다. 유지 링(100)은 기판을 CMP 장치의 이송 스테이션에 위치시키고, 센터링시키며, 홀딩하는 로드컵(loadcup)에 끼워 맞춰진다. 적합한 로드컵은 1999년 10월 8일자로 출원된 미국 특허출원 번호 09/414,907호에 설명되어 있으며, 상기 특허의 전체 내용은 본 발명에 참조되었다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 유지 링(100)의 상부(105)는 평탄한 바닥 표면(110), 원통형 내측 표면(165), 원통형 외측 표면(150), 및 상기 바닥 표면(110)에 일반적으로 평행한 상부 표면(115)을 가진다. 상부 표면은 유지 링(100)과 캐리어 헤드(도시 않음)를 함께 고정하기 위한 볼트, 스크류, 또는 [스크류 쉬스(sheaths) 또는 인서트와 같은]기타 하드웨어와 같은 머신식 패스너를 수용하는 홀(120)을 포함한다. 일반적으로, 18 개의 홀이 있지만, 다른 수의 홀이 있을 수 있다. 또한, 하나 이상의 정렬 구멍(125)이 상부(105)의 상부 표면(115)에 위치될 수 있다. 유지 링(100)이 정렬 구멍(125)을 가지면, 캐리어 헤드는 캐리어 헤드와 유지 링(100)이 적절히 정렬될 때 정렬 구멍(125)과 결합하는 대응 핀을 가질 수 있다.

유지 링(100)의 상부(105)는 세정액의 분사 또는 폐기물의 배출을 위한 압력 평형을 제공하는 하나 이상의 통로, 즉 유지 링 주위에 동일한 각도 간격으로 이격된 4 개의 드레인 홀(drain hole)을 포함할 수 있다. 드레인 홀은 내측 표면(165)으로부터 외측 표면(150)으로 상부(105)를 통해 수평으로 연장한다. 이와는 달리, 드레인 홀은 예를 들어, 외경 표면에서보다 내경 표면에서 높게 경사질 수 있거나, 유지 링은 드레인 홀 없이 제작될 수 있다.

상부(105)는 금속, 세라믹 또는 경질 플라스틱과 같은 단단하거나 높은 인장 탄성율(tensile modulus)을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 상부를 형성하기에 적합한 재료에는 스테인레스 스틸, 몰리브덴, 티타늄 또는 알루미늄이 포함된다. 또한, 복합 세라믹과 같은 복합 재료가 사용될 수 있다.

유지 링(100)의 또 다른 부품인 하부(130)는 CMP 공정에 화학적으로 불활성이고 상부(105)의 재료보다 연한 재료로 형성될 수 있다. 하부(130)의 재료는 유지 링(100)에 대한 기판 에지의 접촉으로 기판이 부서지거나 크랙의 원인이 되지 않도록 충분한 압축성과 탄성을 가져야 한다. 그러나, 하부(130)는 캐리어 헤드가 유지 링(100) 상에 하향 압력을 가할 때 기판 수용 오목부(160)의 내측으로 밀릴 정도로 너무 유동적이지 않아야 한다. 하부(130)의 경도는 75 내지 100 쇼어 D 경도, 예를 들어 80 내지 95 쇼어 D 경도를 가질 수 있다. 하부(130)는 또한, 하부(130)가 마모되는 것을 허용할지라도, 내구성과 고 내마모성을 가져야 한다. 예를 들어, 하부(130)는 폴리페닐렌 황화물(PPS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 카본 충진 PEEK, 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리벤지미다졸(PBI), 폴리에테를이미드(PEI)와 같은 플라스틱, 또는 복합 재료로 형성될 수 있다.

하부는 또한, 평탄한 상부 표면(135), 원통형 내측 표면(235), 원통형 외측 표면(230), 및 바닥 표면(155)을 각각 가진다. 상부(105)와는 다르게, 하부의 바닥 표면(155)은 비-평탄한 형상 또는 프로파일을 가진다. 특정 실시예에서, 바닥 표면(155)의 성형된 반경 방향 프로파일은 곡면, 절두 원추형, 평탄형 및/또는 계단형 단면을 포함할 수 있다. 성형된 반경 방향 프로파일을 갖는 유지 링은 바닥 표면(155) 상에 하나 이상의 비-평탄부를 포함한다. 통상적으로, 유지 링(100)의 바닥 표면(155)의 반경 반향 프로파일은 유지 링(100)이 사용되는 공정을 위한 바닥 표면(155)의 평형 프로파일(이후에 설명됨)과 실질적으로 일치하는 것이 유리하다. 평형 프로파일은 실험(예를 들어, 마모 유지 링의 실험) 또는 소프트웨어 모델링에 의해 결정될 수 있다.

하부(130) 및 상부(105)는 유지 링(100)을 형성하도록 그들의 상부 표면(135) 및 바닥 표면(110)에 각각 연결된다. 상부(105) 및 하부(130)가 정렬되고 결합될 때, 유지 링(100)의 외경 표면은 두 개의 원통형 표면(150,230) 사이에 균일한 테이퍼면(145; 예를 들어, 바닥보다 상부에서 더 넓은)을 가질 수 있다. 두 부품은 접착제, 스크류와 같은 머신식 패스너, 또는 강제 끼워맞춤 방식에 의해 결합될 수 있다. 접착제는 에폭시, 예를 들어 미국, 조지아주 챔블리 소재의 마그노리아 플라스틱사에 의해 상업화된 마그노본드(Magnobond)-6375(등록상표)와 같은 2액성(two-part) 저속 경화형 에폭시일 수 있다.

유지 링의 일 실시예가 도 2에 확대도로 도시되어 있다. 유지 링의 바닥 표면(155)은 내경(165)으로부터 하향 경사진 영역(210) 및 외경(150)으로부터 하향 경사진 영역(205)을 갖춘 프로파일을 가진다. 외측 표면(230)의 하부 에지(220)는 내측 표면(235)의 하부 에지(225)보다 위, 아래 또는 동일한 높이에 위치될 수 있다. 상기 영역(205,210)은 실질적으로 절두 원추형 표면을 형성한다. 즉, 반경 방향의 횡단면에서 바닥 표면(155)의 프로파일은 각각의 영역 전체에 걸쳐 실질적으로 선형의 형상을 가진다. 경사진 표면은 하부의 상부 표면과 실질적으로 평행한 영역(215)으로 연장한다. 따라서, 바닥 표면(155)은 실질적으로 선형의 반경 방향 프로파일을 갖는 정확히 3 개의 영역을 포함한다.

바닥 표면(155)의 최저부, 예를 들어 평탄 영역(215)과 같은 가장 두꺼운 부분은 외경(150)보다 내경(165) 쪽에 더 가깝다. 이와는 달리, 도 3에 도시한 바와 같이, 최하부 바닥부는 내경(165)보다 외경(150) 쪽에 더 가깝다.

도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 다른 실시예는 정확히 두 개로 분리되고 경사진 절두 원추형 영역을 갖는 바닥 표면(155)을 가진다. 이와는 달리, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 영역들 중의 하나는 절두 원추형으로 경사져 있으며, 다른 영역은 상부 표면과 실질적으로 평행하다. 따라서, 유지 링의 바닥 표면(155)은 실질적으로 선형의 반경 방향 프로파일을 갖는 정확히 두 개의 영역을 포함한다.

가상적으로, 임의의 숫자의 영역이 바닥 표면에 기계 가공될 수 있다. 그러나, 하부 프로파일 중의 가장 얇은 부분과 가장 두꺼운 부분 사이의 차이(D)가 통상적으로 0.02 ㎜ 미만으로 변하므로, 일반적으로 3 개의 영역이 머신이공되는 영역의 최대 숫자이다. 절두 원추형 영역은 유지 링들 중의 하나의 바닥 표면 중의 곡선 형상에 가깝다. 이와는 달리, 링의 바닥 표면은 곡선 표면 또는 곡선부분으로 형성될 수 있다.

또 다른 실시예인 도 6을 참조하면, 유지 링(100)의 바닥 표면(155)은 단일 절두 원추형이 되도록 형성된다. 그러한 실시예에서, 상기 영역은 외측으로부터 하향으로 경사질 수 있다. 즉, 외측 표면(230)의 하부 에지(220)가 내측 표면(235)의 하부 에지(225) 위에 있다.

도 2 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 바닥 표면에 걸친 높이 차이(D), 결국 (상부 표면(135)이 평탄면이라는 가정하에)하부 프로파일의 가장 얇은 부분과 가장 두꺼운 부분 사이의 두께 차이는 0.001 내지 0.05㎜, 예를 들어 0.002 내지 0.02㎜ 범위이다. 예를 들어, 상기 차이(D)는 일반적으로 약 0.01㎜이다.

도 7을 참조하면, 유지 링(100)의 바닥 표면(155)은 볼록 또는 성형된 반경 방향 프로파일을 가진다. 따라서, 반경 방향 횡단면에서 바닥 표면(155)의 프로파일은 곡면이다. 바닥 표면(155)의 반경 방향 프로파일의 형상은 유지 링(100)이 사용될 공정의 공정 변수에 따라 변할 수 있다. 외측 표면(230)의 하부 에지(220)는 내측 표면(235)의 하부 에지(225)보다 위에, 아래에 또는 동일한 높이에 있을 수 있다.

지점(215)에서의 부분과 같이 바닥 표면(155)의 바닥 최하부는 도 7에 도시한 바와 같이 외측 표면(230)보다 내측 표면(235)에 가까울 수 있다. 바닥 표면(155)의 최하부 지점은 내측 표면(235)의 하부 에지(225)로부터 0.001 내지 0.05㎜, 예를 들어 0.002 내지 0.02㎜ 범위이다. 이와는 달리, 바닥 최하부는 내측 표면(235)보다 외측 표면(230)에 가까울 수 있다. 통상적으로, 링의 모든 반경 방향으로의 횡단면에서 바닥 최하부(예를 들어, 215 지점)들은 동일 평면 상에 있는 것이 유리하다. 즉, 유지 링(100)은 완전히 평탄한 표면 상에 놓일 때 연속적인 원 접촉을 이상적으로 형성한다. 또한, 유지 링(100)의 바닥 표면(155)의 상이한 형상들(예를 들어, 완전한 평탄면으로부터 동일한 거리를 갖는 바닥 표면(155) 상의 지점)이 원들을 이상적으로 형성한다. 유지 링(100)의 바닥 표면(155)의 모든 방경 방향 프로파일은 이상적으로 균일하다. 물리적으로 실현한 유지 링(100)의 모든 반경 방향의 횡단면에서 바닥 최하부는 완전한 동일 평면으로부터 조금 변화된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 다른 반경 방향 횡단면 상의 바닥 최하부는 동일 평면으로부터 ±0.004 ㎜ 까지 변화될 수 있다.

바닥 표면 전체에 걸친 높이 차이(D₁), 결국 (상부 표면(135)이 평탄면이라는 가정하에)하부 프로파일의 가장 얇은 부분과 가장 두꺼운 부분 사이의 두께 차이는 0.001 내지 0.05㎜, 예를 들어 0.002 내지 0.01㎜ 범위이다. 예를 들어, 상기 차이(D₁)는 일반적으로 약 0.0076㎜이다. (본 발명에서 설명된 도면들은 반경 방향 프로파일을 보다 명확하게 도시하기 위해 과장되어 있고 축척대로 도시하지 않았으며 프로파일의 곡률도 시각적 측면에서 분명치 않다.)

외측 표면(230)의 하부 에지(220)은 내측 표면(235)의 하부 에지(225) 위에 있을 수 있다. 바닥 표면(155)의 최하부 지점은 내측 표면(235)의 하부 에지(225)로부터 0.001 내지 0.05㎜, 예를 들어 0.002 내지 0.01㎜ 범위이다. 예를 들어, D₁-D₂는 일반적으로 대략 0.0025 ㎜일 수 있다.

또 다른 실시예인 도 8을 참조하면, 유지 링의 바닥 표면(155)은 내측 표면(112)에 인접한 거의 수평부(140)를 갖는 연속적인 곡면 형상을 가질 수 있으며외경 표면(230)에 인접해서 가장 큰 경사부분을 가질 수 있다. 도 7과 유사하게, 본 실시예에서는 최종 바닥 표면(155)이 외측으로부터 하향으로 경사져 있다. 즉, 외측 표면(230)의 하부 에지가 내측 표면(235)의 하부 에지 위에 있다.

또 다른 실시예인 도 9를 참조하면, 바닥 표면(155)은 내측 표면(235)에 인접한 볼록부(185) 및 외측 표면(230)에 인접한 오목부(190)를 갖는 "사인" 형상을 가진다. 이와는 달리, 오목부(190)는 내측 표면(235)에 인접하고 볼록부(185)는 외측 표면(230)에 인접할 수 있다.

또 다른 실시예인 도 10을 참조하면, 바닥 표면(155)은 일반적으로 수평부(140), 및 내경 표면 및 외경 표면(235, 230)에 있는 둥근 에지(162,164)를 가진다. 둥근 내측 및 외측 에지(162,164)는 동일한 곡률 반경을 가진다.

또 다른 실시예인 도 11 및 도 12를 참조하면, 둥근 에지(162,164)는 상이한 곡률을 가진다. 예를 들어, 내부 에지(162)의 곡률 반경은 외부 에지(164)의 곡률 반경 보다 (도 11에 도시한 바와 같이)더 크거나 (도 12에 도시한 바와 같이)작을 수 있다.

바닥 표면 전체에 걸친 높이 차이(D₃), 및 결국(하부의 상부 표면이 평탄면이라는 가정하에)하부 프로파일 중의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분 사이의 두께 차이는 0.001 내지 0.05㎜ 범위, 예를 들어 0.01 내지 0.03㎜ 범위이다. 예를 들어, 높이 차이(D₃)는 0.0025 내지 0.0076 ㎜ 또는 일반적으로 대략 0.018㎜이다.

위의 설명이 바닥 표면의 형상에 대해 촛점이 맞춰졌지만, 유지 링은 연마로 인한 평형 특성과 실질적으로 일치하는 다른 표면 특성으로 형성될 수 있다. 바닥 표면(155)은 매우 매끄러운 표면 거칠기를 가질 수 있다. 예를 들어, 유지 링의 바닥 표면은 바닥 표면(155)의 타겟 거칠기 평균(RA), 즉 4 μ인치 미만, 바람직하게 2 또는 1 μ인치 또는 그 미만으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 유지 링은 종래의 기계 가공 기술에 의해 얻을 수 있는 것보다 양호한 표면 거칠기를 가진다. 또한, 유지 링은 표면 거칠기가 상이한 영역으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유지 링의 바닥 표면(155)은 상이한 표면 거칠기의 영역, 예를 들어 동심 환형 영역을 가진다. 다른 실시예에서, 바닥 표면(155)은 측면(230,235)의 표면 거칠기보다 적은 표면 거칠기를 가진다(즉, 바닥 표면이 더 매끄러운). 이러한 개념은 전술한 어떠한 유지 링이나 심지어는 전체적으로 평탄한 바닥 표면을 갖는 유지 링에도 적용될 수 있다.

하부(130)의 바닥 표면(155)은 또한, 설명된 채널 또는 홈, 예를 들어 12 개 또는 18 개의 채널을 포함하여, 연마재를 포함하거나 그렇지 않은 슬러리와 같은 연마액이 유지 링(100) 하부에 있는 기판 수용 오목부(160) 내의 기판으로 흐를 수 있게 한다. 채널은 직선 또는 곡선일 수 있으며, 균일한 폭을 갖거나 플레어(flare) 형상을 가져서 유지 링의 외경에서 더 넓으며, 균일한 폭을 갖거나 외경(230)에서 보다 내경(235)에서 더 깊다. 각각의 채널은 0.125 인치와 같은 약 0.030 내지 1.0 인치의 폭과 0.1 내지 0.3 인치의 깊이를 가질 수 있다. 채널은 유지 링(100) 주위에 균일한 각도 간격으로 분포될 수 있다. 채널은 통상적으로 유지 링(100)의 중심을 통해 연장하는 반경 방향 선분(segment)에 대해 45도와 같은 각도로 지향되어 있으나, 30 내지 60도와 같은 다른 지향 각도도 가능하다.

이제까지 유지링의 다수의 실시예들에 대해 설명하였으며, 이후에는 유지 링의 제작 방법 및 용도에 대해 설명한다. CMP 장치의 정상적인 작동에서, 로봇 아암은 카세트 스토리지(storage)로부터 이송 스테이션으로 300㎜ 기판을 이동시킨다. 이송 스테이션에서, 기판은 로드컵 내에 센터링된다. 캐리어 헤드는 로드컵 위의 위치로 이동한다. 일반적으로 캐리어 헤드 및 로드컵이 서로 정렬되면, 캐리어 헤드는 기판을 수집할 수 있는 위치로 하강한다. 구체적으로, 캐리어 헤드는 유지 링 외측면의 바닥이 로드컵의 내측면과 결합하도록 하강한다.

기판이 캐리어 헤드 내측에 로딩되면, 캐리어 헤드는 로드컵으로부터 분리되도록 리프트된다. 캐리어 헤드는 CMP 장치의 이송 스테이션으로부터 각각의 연마 스테이션으로 이동할 수 있다. CMP 연마 중에, 캐리어 헤드는 압력을 기판에 가하고 연마 패드에 대해 기판을 유지한다. 연마 시퀀스(sequence) 중에, 기판은 유지 링(100)의 오목부(160) 내에 위치되어서 기판이 이탈하는 것을 방지한다. 연마가 완료되면, 캐리어 헤드는 로드컵 위의 위치로 복귀하며 유리 링(100)이 로드컵으로 이동하여 재결합하도록 하강한다. 기판은 캐리어 헤드로부터 방출되며 계속해서 연마 시퀀스의 다음 단계로 이동한다.

유지 링(100)의 바닥 표면(155)은 기판 연마 공정 중에 연마 패드와 접촉한다. 유지 링(100)의 프로파일은 기판 에지 연마 비율에 영향을 끼친다. 통상적으로, 유지 링이 내경에서 더 얇으면, 기판의 에지는 유지 링이 바닥 전체에 걸쳐 평탄할 때 보다 더 느리게 연마된다. 역으로, 유지 링이 내경에서 더 두꺼우면, 기판의 에지는 더 빠르게 연마된다.

통상적으로, 종래의 "이상적인" 유지 링은 일반적으로 평탄한 반경방향 프로파일을 갖는 바닥 표면으로 형성된다. 따라서, 종래의 "이상적인" 유지 링이 완벽한 평탄 표면 상에 놓이면, 종래의 유지 링의 바닥 표면 상에 있는 모든 지점은 이상적으로 평탄 표면과 접촉한다. 실제로 종래의 유지 링의 바닥 표면이 어느 정도의 표면 거칠기를 갖거나 비평탄도를 가질 수 있지만, 유지 링의 평균 반경방향 프로파일은 링의 다중 반경방향 횡단면을 평균화함으로써 결정되며 이러한 평균의 반경방향 프로파일은 일반적으로 평탄할 것이다. 연마 중에, 연마 패드는 유지 링(100)의 바닥 표면(155)을 마모시킨다. 통상적으로, 마모는 바닥 표면(155)을 반경방향으로 가로지르는 방향으로 균일한 비율로 발생하지 않는다. 이러한 불균일한 마모는 바닥 표면(155)이 평탄하지 않는 형상을 갖게 하는 원인이 된다. 예를 들어, 유지 링(100)의 내경에 가장 가까운 바닥 표면(155)의 부분은 유지 링(100)의 외경에 가장 가까운 유지 링(100)의 바닥 표면(155)의 부분보다 더 빠르게 마모된다. 유지 링(100)의 마모는 결국에는 평형 상태가 되어서 유지 링(100)의 바닥 표면은 공정 또는 연마 조건이 변경될 때까지는 링이 마모되더라도 실질적으로 동일한 형상을 유지한다.

유지 링 프로파일의 평형 형상은 슬러리 조성, 연마 패드 조성, 유지링의 하향력, 및 플래튼과 캐리어 헤드의 회전 속도와 같은 연마 공정의 조건에 의존한다. 다른 요소들로는 연마 패드의 강도, 유지 링의 강도, 연마 패드 표면의 조건, 하향력 및 연마 속도가 있다.

기판 에지에서의 연마는 연마 링(100)이 평형에 도달할 때까지 변동(drift)될 것이다. 기판 대 기판 또는 기판 횡방향으로의 연마 편차를 감소시키기 위해 유지 링은 연마 공정에 사용되기 이전에 "브레이크-인"될 수 있다. 유지 링에 있어서의 브레이크-인의 하나의 방법은 소자 기판의 연마를 위해 유지 링을 사용하는 것과 동일한 형태의 연마 장치를 사용하여 기판 연마를 시뮬레이션하는 것, 예를 들어 연마 패드에 대해 유지 링을 압박하여 평형 형상에 도달할 때까지 링이 마모되도록 하는 것이다. 그러나, 브레이크-인의 단점은 연마 장치의 사용을 필요로 한다는 점이다. 그 결과, 브레이크-인 공정은 연마 장치의 작동을 중지시키는 시간이며, 그 동안에는 연마가 수행되지 않아 소유 비용 증가를 초래한다.

연마 장치를 갖는 유지 링 대신에, 소정의 유지 링 프로파일이 성형될 수 있는데, 예를 들어, 바닥 표면이 일반적으로 소정 세트의 연마 조건들로부터 기인되는 평형 상태를 갖도록 유지 링을 연마 머신에 사용하기 이전에, 링의 바닥 표면을 기계 가공함으로써 생성될 수 있다. 유지 링이 곡면을 갖더라도, 통상적으로 기계 가공 공정은 브레이크 인 유지 링의 형상에 서로 근접한 평탄 영역(즉, 평탄 또는 절두 원추형 표면과 같은 선형 반경방향 프로파일을 갖는 영역)을 생성할 것이다. 소정의 프로파일 형상은 일반적으로, 유지 링이 평형 형상에 도달할 때까지 유지 링이 기판을 연마하는데 사용될 때 선택될 동일한 공정 조건들에 따라 유지 링을 사용함으로써 결정된다. 이러한 평형 형상은 동일한 공정 조건들이 주어진다면 재현될 수 있다. 따라서, 유지 링 프로파일은 기계 가공된 유지 링을 위한 모델이 될 수 있다.

도 13을 참조하면, 기계 가공은 선반으로 수행된다. 예를 들어, 유지 링(100)은 바닥 표면이 블레이드(250)와 접촉하는 동안에 축선 주위에서 회전될 수 있다. 블레이드(250)는 기계 가공될 유지 링의 표면보다 실질적으로 더 작은 절단 에지(255)를 가진다. 유지 링이 회전할 때, 블레이드(250)는 z-축을 따라 이동하며(이러한 이동을 제공하도록 블레이드 또는 유지 링이 이동할 수 있다) y-축에 따른 블레이드의 상대 위치가 예정된 패턴으로 조정됨으로써(다시, 이러한 위치 선정을 제공하도록 블레이드 또는 유지 링이 이동할 수 있다), 유지 링의 바닥 표면 상에 예정된 형상을 기계 가공할 수 있다. 기계 가공은 컴퓨터 수치 제어식(CNC) 기계 가공일 수 있다.

도 14를 참조하면, 기계 가공은 또한 미리 성형된 맞춤식 커터를 사용하여 수행될 수도 있다. 예를 들어, 유지 링(100)은 유지 링의 바닥 표면보다 더 넓은 절단면(260)과 접촉할 수 있으며 예정된 형상을 가진다. 특히, 절단면(260)은 예를 들어, 일련의 톱날이나 다이아몬드 그릿(grit)과 같은 거친 표면에 의해 드럼(262)의 원통형 표면 상에 형성될 수 있다. 유지 링(100)이 유지 링의 축선 주위에서 회전하는 동안에 드럼(262)도 드럼의 축선 주위에서 회전하며, 유지 링(100)의 바닥 표면(155)은 절단면(260)과 접촉되게 이동된다. 따라서, 유지 링의 바닥 표면(155)은 절단면(260) 상의 형상에 대한 보완 형상인 예정된 형상으로 연마된다.

이와는 달리, 기계 가공은 CMP 환경을 시뮬레이션하는 변형된 랩핑 공정을 이용하여 수행된다. 회전, 이중 회전, 진동, 임의의 진동, 궤도 운동을 이용하는 머신과 같은 다양한 랩핑 머신이 사용될 수 있다. 상기 랩핑 머신은 연마 머신과 동일한 형태의 상대운동을 필요로 하지 않음을 주목해야 한다. 요약하면, 연마 환경을 시뮬레이션하는 조건 하에서 유지 링의 바닥 표면을 랩핑 가공함으로써, 유지 링의 바닥 표면은 평형 형상으로 마모될 것이다. 이러한 평형 형상은 주어진 동일한 공정 조건들이 주어진다면 재현될 수 있다. 이러한 랩핑 가공은 저렴한 머신을 사용하여 연마 장치와 별도로 수행됨으로써, 브레이크 인 공정의 비용을 감소시킨다.

CMP 장치는 통상적으로, 레핑 테이블(300)용으로 불필요한 다수의 부품들을 포함한다. 예를 들어, CMP 장치는 통상적으로 엔드 포인트(endpoint) 검출 시스템, 웨이퍼 로딩/언로딩 스테이션, 하나 이상의 워싱 스테이션, 회전용 모터와 캐리어 헤드 이동용 카루우젤, 및 로봇 웨이퍼 이송 시스템을 포함한다. 통상적으로, 단지 하나의 캐리어 헤드가 CMP 장치에서 플래튼에 대해 하나씩 사용되며, 캐리어 헤드의 수는 플래튼의 수보다 하나 이상 많을 수 있다.

예를 들어, 바닥 표면(155)에 성형된 반경방향 프로파일을 갖는 유지 링(100)은 도 15 및 도 16의 랩핑 장치(300)와 같은 랩핑 장치를 사용하여 형성될 수 있다. 랩핑 장치(300)는 회전반(402; 예를 들어, 60 내지 70 rpm으로 회전하는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 또는 주철 회전반)을 포함하며, 그 회전반에는 플라스틱의 랩핑에 적합한 랩핑 패드(420; 예를 들어, 백킹 패드를 갖거나 갖지않는 로델(등록 상표) IC 1000 또는 IC 1010 패드)가 고정될 수 있다. 랩핑 액[430; 코보트 마이크로 일렉트로릭스 세미-스퍼즈(등록상표) 12]이 예를 들어, 슬러리 펌프(도시않음)를 사용하여 랩핑 패드(420)에 (예를 들어, 95 내지 130 mL/min.의 유동율로)공급될 수 있다. 랩핑 패드(420)는 종래의 폴리우레탄 패드, 펠트 패드, 컴플라이언스 폼 패드, 또는 금속 패드일 수 있으며, 랩핑 패드(420)로 공급되는 랩핑액(430)은 탈이온수, 무연마제 용액, 또는 연마제 (분말 실리카와 같은)슬러리일 수 있다.

다중 유지 링[320(1) 내지 320(3)][예를 들어, 유지 링(100)]은 한번에 랩핑 가공될 수 있으며, 랩핑 장치(300)는 랩핑 가공 중에 유지 링[320(1) 내지 320(3)]을 유지하는 다중 아암[330(1) 내지 330(3)]을 포함할 수 있다. 아암[330(1) 내지 330(3)]은 유지 링[320(1) 내지 320(3)]이 랩핑 가공 중에 자유롭게 회전될 수 있게 하는, 부착된 하나 이상의 휠(340)을 가질 수 있다. 이와는 달리, 유지 링[320(1) 내지 320(3)]은 랩핑 가공 중에 회전되도록 강제될 수 있으나, 유지링[320(1) 내지 320(3)]이 자유롭게 회전될 수 있게 하는 것이 랩핑 장치(300)의 설계와 작동을 단순화시킨다. 유지 링의 프로파일을 성형하는데 필요한 총시간(예를 들어 20 내지 60분)은 통상적으로 유지 링에 대한 소정의 프로파일과 표면 거칠기, 유지 링의 재료, 및 랩핑 공정변수에 의존한다.

유지 링[320(1) 내지 320(3)]은 랩핑 공정 중에 CMP 캐리어 헤드(410)(예를 들어, 어플라이드 머티리얼즈에 의해 제작되는 예를 들어, 형상 또는 프로파일러 캐리어 헤드일 수 있는 캐리어 헤드)에 고정될 수 있다. 캐리어 헤드는 어댑터(490)를 사용하여 공압원 또는 진공원(도시 않음)에 결합될 수 있다. 어댑터(490)는 공압 또는 진공이 동시에 캐리어 헤드(410)에 가해질 수 있도록 설계될 수 있다. 공압은 랩핑 공정 중에 유지 링[320(1) 내지 320(3)]을 플래튼(402)이나 랩핑 패드(420)에 대해 압박하도록 캐리어 헤드(예를 들어, 샤프트(440))에 가해질 수 있다. 가해진 압력은 유지 링[320(1) 내지 320(3)]의 바닥 표면(예를 들어, 바닥 표면(155))의 반경방향 프로파일의 형상과 랩핑 속도를 제어하도록 랩핑 중에 변화될 수 있다. 일 실시예에서, 균형추가 캐리어 헤드에 사용되어(예를 들어, 공압원 대신에, 또는 공압원과 조합되어) 랩핑 공정 중에 유지 링[320(1) 내지 320(3)]을 플래튼(402)이나 랩핑 패드(420)에 대해 압박시킨다.

캐리어 헤드에 가해진 힘 이외에도, 공압이 샤프트(440)와 유지 링[320(1)] 사이의 하나 이상의 챔버(470)에 가해져 샤프트(440)를 [샤프트(440)와 링이 연결 상태를 유지하지만]링으로부터 들어올리고 캐리어 헤드의 자체 수평유지 효과가 작용될 수 있게 한다. 챔버(47)에 가해진 압력의 양(예를 들어, 0.5 psi)은 샤프트(440)에 가해진 힘의 양(예를 들어, 60 내지 100 lbs)과 균형을 이루어 샤프트(440)와 유지 링[(320(1)]이 적절한 정렬 상태를 유지한다.

유지 링[320(1) 내지 320(3)]은 기판을 유지한채 또는 기판을 유지하지 않은채 랩핑 가공될 수 있다. 캐리어 헤드가 기판 수용면을 갖는 막(450)을 포함하면, 진공이 막(450) 뒤의 챔버(460)에 가해져 랩핑 패드(420)로부터 멀리 막(450)을 끌어당겨 랩핑 공정 중에 막(450)이 랩핑 패드(420)나 플래튼과 접촉하는 것을 방지한다. 이는 유지 링[320(1) 내지 320(3)]이 기판을 유지하지 않을 때 막의 파손을 방지하는데 도움을 준다.

랩핑 공정 중에 사용된 공정 변수(예를 들어, 유지 링의 하향력, 플래튼 회전율, 랩핑 패드 조성, 및 슬러리 조성)는 유지 링[320(1) 내지 320(3)]이 랩핑 가공된 후에 유지 링[320(1) 내지 320(3)]이 사용될 CMP 공정의 공정 변수와 일치될 수 있다. 더미 기판(480)과 같은 기판(예를 들어, 석영 또는 실리콘 기판)이 랩핑 공정 중에 유지 링[320(1) 내지 320(3)]의 내측에 놓여 캐리어 헤드 막(450)을 보호하고 CMP 공정의 공정변수와 더욱 가깝게 시뮬레이션한다. 예를 들어, 막(450)은 CMP 공정을 시뮬레이션하도록 더미 기판(480)을 랩핑 패드(420)에 대해 민다. 일 실시예에서, 유지 링[320(1) 내지 320(3)] 중의 하나는 연마 패드에 대한 거친 표면 조직을 복원하도록 연마 패드(420)를 연마할 수 있는 컨디셔너(예를 들어, 다이아몬드 디스크)로 교체된다.

도 17을 참조하면, 랩핑 테이블(500)은 랩핑 장치(300)의 대체 실시예이다. 유지 링[320(1) 내지 320(3)]은 각각의 링의 적어도 작은 부분[오버행(540(1) 내지 540(3)]이 또한 플래튼(510)의 외측 에지를 넘어 연장하도록 플래튼(510) 상에 위치된다. 플래튼(510)도 각각의 링의 적어도 작은 부분[오버행(520(1) 내지 520(3)]이 홀(530)의 에지를 넘어 연장하도록 중심에 홀(530)을 가질 수 있다. 유지 링[320(1) 내지 320(3)]이 플래튼(510)의 에지를 넘어 연장할 수 있게 하는 것은 마모된 패스의 외측에 있는 랩핑 패드(420)의 마모부와 함께 패스가 랩핑 패드(420; 도 4)내에서 마모되는 상황을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 랩핑 패드(420)의 비마모 부분이 마모 부분과 접촉하면, 유지 링[320(1) 내지 320(3)]의 랩핑 시에 랩핑 균일도 감소시키는 에지 효과가 발생할 수 있다. 랩핑 패드(420)는 홀(530)의 위로 연장한다(예를 들어, 랩핑 패드(420)는 환형보다는 원형일 수 있다). 이러한 실시예는 홀(530) 위의 랩핑 패드(420)의 부분이 플래튼(510)에 의해 지지되지는 않으나 상기 홀(530) 내에 슬러리 복원 시스템이 필요로 하지 않기 때문에, 상기 부분이 에지 효과를 유발하지 않는다는 점에서 동일한 장점을 가진다.

다른 실시예인 도 18을 참조하면, 랩핑 장치(300)는 임의 회전가능한 또는 진동식 랩핑 테이블(302)과 같은 테이블을 포함할 수 있다. 랩핑 테이블(302)은 랩핑 테이블(302)을 진동 또는 회전시키도록 모터에 연결되는 구동 샤프트(314)에 의해 지지될 수 있다. 랩핑 장치(300)는 또한, 기계 가공 공정을 수행하도록 유지 링(100)을 랩핑 패드(420)에 대해 유지하는 하나 이상, 예를 들어 3 개의 커버(600)를 포함한다. 커버(600)는 랩핑 테이블(302)의 중심 주위에 동일한 각도 간격으로 분포될 수 있다. 하나 이상의 배수 채널(308)이 사용된 랩핑액을 이송하도록 랩핑 테이블(302)을 관통해 형성될 수 있다.

랩핑 테이블(302)의 에지는 원통형 유지 벽(610)을 지지할 수 있다. 유지 벽(610)은 랩핑 테이블(302)의 측면 위로 랩핑액이 흐르는 것을 방지하며 유지 링이 커버(600) 중의 하나 아래로 이탈하는 경우에 유지 링(600)을 잡아 주는 역할을 한다. 이와는 달리, 랩핑액은 랩핑 테이블의 에지로부터 유출되어 포획되고 재순환되거나 버려진다.

도 19를 참조하면, 커버(600)는 주 몸체(326) 및 그 주 몸체(326)로부터 돌출하는 유지 플랜지(322)를 포함한다. 유지 플랜지(322)는 기계 가공될 유지 링(100)의 외경과 동일한 내경을 갖는 원통형 내측 표면(324)을 가진다. 유지 플랜지(322)는 커버 몸체(326)의 하부면(331)을 에워싼다. 상기 유지 플랜지(322)에 인접한 하부면(331)의 외측 원주부(332)는 랩핑 패드의 평면에 대해 경사져 있다. 예를 들어, 내측으로부터 하향으로 경사져 있다.

커버(600)는 3가지 기능을 제공할 수 있다. 첫째, 커버(600)는 랩핑 공정 중의 마모나 손상으로부터 유지 링(100)의 외측면(즉, 바닥 표면(155) 이외의 표면)을 보호한다. 둘째, 커버(600)는 연마 공정 중에 가해질 수 있는 하중과 대략 동일할 수 있는 하중을 유지 링에 가한다. 세째, 커버(600)의 경사부(332)는 유지 링의 폭에 걸쳐 차등 하중을 가해서, 기계 가공 공정으로 인한 유지 링(100)이 바닥 표면 상에 테이퍼, 예를 들어 도 19에 도시한 바와 같이 내측으로부터 외측으로 하향으로 경사진 테이퍼를 가질 것이다. 그 결과, 유지 링(100)은 연마 공정을 위한 링의 평형 형상과 일치하는 형상으로 미리 테이퍼질 수 있음으로써, 연마 머신에서의 유지 링 브레이크-인 공정의 필요성을 감소시키고 에지 연마율 측면에서 기판 대 기판 균일도를 개선한다.

또 다른 실시예인 도 20을 참조하면, 커버 하부면(331')의 외측 원주부(332')는 랩핑 패드의 평면에 대해 내측으로부터 외측으로 상향으로 경사질 수 있다. 기계 가공 공정으로 인한 유지 링(100)도 예를 들어, 외측으로부터 내측으로 상향으로 경사진, 바닥 표면 상에 테이퍼를 가질 수 있다.

또 다른 실시예인 도 21을 참조하면, 유지 링 홀더(700)는 연마 패드(204)에 대해 유지 링(100)을 유지하고 압박한다. 유지 링 홀더(700)는 유지 링을 상기 홀더(700)에 머신식으로 고정하기 위해 주변부 주위에 관통-홀이나 기타 적절한 구조를 갖는 단순 디스크형 몸체(702)일 수 있다. 예를 들어, 스크류(306)는 관통-홀(304)을 통해 유지 링의 상부면에 있는 수용 구멍에 끼워맞춰져 유지 링(100)을 홀더(700)에 고정하게 된다. 선택적으로, 더미 기판(380)은 유지 링의 내경 안쪽에 있는 유지 링 홀더 아래에 놓일 수 있다.

균형추(310)는 디스크형 몸체(702)의 상부에 놓이거나 고정되어서 브레이크-인 공정 중의 유지 링 상의 하향 하중이 기판 연마 작동 중에 가해지는 하중과 일반적으로 일치될 수 있게 한다. 이와는 달리, 감쇄 스프링이 홀더(700)와 유지 링을 패드(204) 상으로 압박하도록 위치될 수 있다. 감쇄 스프링은 진동 운동 중에 홀더(700)가 패드(204)를 점핑(jumping)시키는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.

하나 이상의 탄성 범퍼(312)가 유지 링 홀더(700)의 측면에 고정될 수 있다. 예를 들어, 범퍼(312)는 유지 링 홀더(700)를 에워싸는 O-링일 수 있다.

테이블(202)는 임의의 진동운동식으로 테이블을 구동하는 구동 기구(222)에 의해 지지된다. 유지 링 홀더(700)는 테이블(202) 상에서 자유롭게 부상하며, 따라서 테이블에 전체에 걸쳐서 임의의 진동 패스 방식으로 이동할 것이다. 범퍼(312)는 유지 링 홀더(700)가 유지 벽(212)으로부터 튀어오르게 함으로써 홀더의 임의의 운동에 기여하며 유지 벽으로부터 홀더 또는 유지 링이 손상되는 것을 방지한다.

도 22에 도시된 또 다른 실시예에서, 유지 링 홀더(700)는 홀더(700)를 측면 고정 위치에 유지하는 구동 샤프트(333)에 연결된다. 구동 샤프트(333)는 홀더(700) 및 유지 링(100)을 제어 방식으로 회전시키도록 회전될 수 있으나 가해진 힘 하에서 홀더(700)가 자유롭게 회전될 수 있다. 본 실시예에서, 테이블(202)은 예를 들어, 궤도를 따라 타원형 운동으로 테이블을 구동시키는 구동 기구에 의해 지지된다. 또한, 유지 링 홀더(700)는 탄성 범퍼를 필요로 하지 않는다.

또 다른 실시예로서 도 23을 참조하면, 유지 링은 성형된 연마 또는 랩핑 테이블(341)을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 테이블(341)의 상부면(342)은 유지 링의 외측 에지에 더 많은 압력을 가하도록 조금 볼록하며, 따라서 이는 테이퍼를 유발한다. 본 실시예에서, 유지 링 캐리어(344)는 테이블이 진동 또는 진자 운동할 때 유지 링(100)과 연마 테이블(341)을 압박한다. 선택적으로, 연마 또는 랩핑 패드(346)는 연마 테이블을 덮을 수 있다.

또 다른 실시예인 도 24를 참조하면, 유지 링은 굽힘가능한 또는 가요성 장착 캐리어(350)를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시 않은 로딩 시스템은 하향 압력을 회전가능한 구동 샤프트(352)에 가할 수 있다. 이러한 압력은 유지 링 캐리어(350)의 센터가 플래튼(354)쪽으로 구부러지게 함으로써, 증가된 압력을 유지 링(100)의 내측 에지에 가할 수 있게 한다. 플래튼(354)은 고정, 진동 또는 회전될 수 있다. 선택적으로, 연마 또는 랩핑 패드(356)는 연마 테이블을 덮을 수 있다.

또 다른 실시예로서 도 25를 참조하면, 유지 링 캐리어(370)가 회전가능한 구동 샤프트(372)에 연결될 수 있으며, 측면 힘이 회전 기어나 휠과 같은 구동 기구(374)에 의해 샤프트(372)에 가해질 수 있는 반면에, 유지 링 캐리어(370)는 유지 링(100)을 플래튼(376) 및 연마 또는 랩핑 패드(378)쪽으로 민다. 구동 기구(374)는 유지 링 캐리어(370)로부터 떨어져 위치되어 유지 링 캐리어(370) 및 유지 링(100)을 경사지게 하는 경향이 있는 모멘트를 측면 힘이 생성하게 된다. 그 결과, 유지 링(100)의 외측 에지 상의 연마 또는 랩핑 패드(378)로부터의 압력이 증가되어, 유지 링의 외측 에지가 더 빠른 속도로 마모되게 함으로써 링의 바닥 표면 상에 테이퍼를 유발한다.

플래튼은 캐리어 헤드와 관련하여 회전, 궤도운동, 진동, 진자 운동 또는 임의의 운동을 하도록 구성될 수 있다. 또한, 캐리어 헤드는 일정한 회전을 하거나 랩핑 패드로부터 가해진 측면 힘 하에서 자유롭게 회전할 수 있다.

또 다른 실시예인 도 26을 참조하면, 유지 링 캐리어(360) 및 유지 링(100)은 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료로 형성된다. 본 실시예에서, 유지 링(100)은 유지 링과 캐리어 모두가 제 1 온도에 있는 동안에 캐리어(360)에 단단히 장착되며, 그 후에 링과 캐리어의 조립체가 상이한 온도로 가열 또는 냉각된다. 상이한 열팽창 계수로 인해, 유지 링이 조금 주름 잡히게 된다. 예를 들어, 캐리어가 유지 링보다 더 높은 열팽창 계수를 갖는다고 가정하고, 조립체를 가열하면 캐리어는 링보다 더 팽창할 것이다. 그 결과, 도 27에 도시한 바와 같이, 캐리어(360)는 외측으로 구부러지는 경향이 있어서 유지 링의 에지를 상방향으로 당기게 된다. 따라서, 유지 링의 기계 가공 중에, 더 큰 압력이 유지 링의 외측 에지에 가해져서 테이퍼를 유발하게 된다.

또 다른 실시예에서, 캐리어(360) 및 유지 링(100)은 유사한 열팽창 계수를 갖는 재료로 형성되나, 캐리어(360) 및 유지 링(100)은 상이한 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 유지 링 홀더는 유지 링의 온도보다 높은 온도일 수 있다. 그 결과, 유지 링 홀더는 팽창되어 홀더가 도 27에 도시한 바와 같이 외측으로 구부러지는 원인이 된다.

전술한 바와 같이, 유지 링의 브레이크-인 이외에도, 랩핑 장치는 유지 링의 상부 표면 및/또는 캐리어 헤드의 바닥 표면을 랩핑하는데 사용될 수 있다. 이러한 작동을 위해, 연마 패드는 금속 래핑판으로 대체된다. 금속 랩핑 판은 규정된 평탄도로 자체적으로 랩핑 가공될 수 있으며 슬러리의 부식 작용에 저항하도록 전기도금될 수 있다. 이와는 달리, 테이블의 상부가 전기도금될수 있고 캐리어 헤드의 바닥 표면 및/또는 유지 링의 상부 표면의 랩핑에 사용될 수 있다. 랩핑 공정은 브레이크-인 공정과 동일한 운동, 예를 들어 임의의 진동운동 또는 타원형 운동을 사용할 수 있다.

유지 링이 랩핑 장치에 의해 랩핑 가공되어 링의 바닥 표면 상에 성형된 프로파일을 형성한 이후에, 유지 링은 랩핑 장치로부터 제거되어 웨이퍼(예를 들어, 실리콘 집적회로 웨이퍼)의 연마에 사용될 CMP 머신에 고정될 수 있다. 유지 링은 제작 공장에서 랩핑 가공될 수 있으며 그 후 사용될 반도체 공장으로 이송된다. 유지 링은 유지 링의 랩핑 가공에 사용되는 머신을 사용하여 랩핑 가공된다. 랩핑 머신은 유지 링의 랩핑 가공에 주로 사용될 수 있으며, 실리콘 기판은 통상적으로 실리콘 기판이 더미 기판으로서 사용되더라도 랩핑 머신을 사용하여 연마되지 않는다.

검토하면, 유지 링은 타겟 표면 특성을 제공하도록 환형 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거함으로써 형성될 수 있다. 상기 제거는 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거하는데 사용되는 제 1 머신을 사용하여 수행될 수 있으며, 타겟 표면 특성은 실질적으로, 소자 기판을 연마하는데 사용되는 제 2 머신 상의 유지 링의 브레이크-인으로부터 유발되는 평형 표면 특성과 실질적으로 일치할 수 있다. 따라서, 소자 기판의 연마에 사용되지 않는 유지 링은 상부면, 내경 표면, 외경 표면 및 바닥 표면을 갖는 일반적으로 환형인 몸체를 가지며, 상기 바닥 표면은 소자 기판의 연마에 따른 유지 링의 브레이크-인으로 인한 평형 표면 특성과 실질적으로 일치하는 타겟 표면 특성을 가진다.

본 발명의 다수의 실시예를 설명하였지만 다른 실시예들도 있을 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없는 다수의 변형예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다. 따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구범위의 범주 내에 있다고 이해해야 한다.

예를 들어, 내측 또는 외측 표면(150,230,165,235)의 다수의 부분들은 직선, 곡선, 또는 직선과 곡선의 혼합된 형상을 가질 수 있다. 리지 또는 플랜지와 같은 다수의 다른 특징이 상부면(115)에 제공되어서 유지 링이 캐리어 헤드에 결합될 수 있게 한다. 스크류 또는 스크류 쉬스용 홀이 플랜지부에 형성될 수 있다.

다른 예로서, 유지 링(100)은 별도의 상부(105)와 하부(130)로 형성되는 대신에, 예를 들어 PPS를 사용하여 단일 플라스틱으로 구성될 수 있다.

"상부" 및 "바닥"과 같은 다수의 위치에 대한 용어가 사용되었지만, 이들 용어는 기판이 위를 향하거나 아래를 향하거나, 또는 연마면이 수직인 연마 시스템에서 유지 링이 사용되기 때문에, 연마면과 관련된 것으로서 이해해야 한다.

본 발명이 다수의 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명은 도시되고 설명된 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

본 발명의 다수의 실시예가 설명되었음에도 불구하고, 본 발명의 범주나 사상으로부터 이탈함이 없는 다수의 변형예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 하나의 시스템 또는 유지 링에 관하여 설명된 구성 요소나 부품들은 다른 시스템 또는 유지 링과 연관되어 사용될 수 있다. 따라서, 다음 청구범위의 범주 내에는 다른 실시예들이 포함된다.

Claims (152)

1. 화학 기계적 연마기용 유지 링으로서,

   상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 바닥 표면, 상기 내경 표면과 바닥 표면의 연결부에 있는 내부 에지, 및 상기 외경 표면과 바닥 표면의 연결부에 있는 외부 에지를 갖는 환형인 몸체를 포함하며, 상기 내경 표면에는 기판의 폴리싱에 따른 마모 마크가 없으며, 상기 바닥 표면은 상기 내부 에지 및 외부 에지를 아래로 돌출하는 반경 방향 횡단면을 따른 볼록 형상을 가지며, 상기 바닥 표면의 최저부는 상기 외경 표면보다 내경 표면에 더 가까우며, 상기 바닥 표면 전체에 걸친 높이 차이가 0.001 내지 0.05 ㎜ 범위인,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 바닥 표면 전체에 걸친 높이 차이가 0.001 내지 0.03 ㎜ 범위인,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 바닥 표면 전체 걸친 높이 차이가 0.002 내지 0.02 ㎜ 범위인,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 에지는 외부 에지와 상이한 높이를 가지는,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 내부 에지는 상기 외부 에지 아래에 있는,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 바닥 표면의 최저부는 상기 내경 표면으로부터 상기 유지 링의 폭의 1/3 지점에 있는,

   화학 기계적 연마기용 유지 링.
7. 화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링으로서,

   상부 표면, 상기 상부 표면에 인접한 내경 표면, 상기 상부 표면에 인접한 외경 표면, 및 바닥 표면을 갖는 환형인 몸체를 포함하며, 상기 바닥 표면은 상기 내경 표면과 상기 외경 표면 사이에 절두 원추형 표면을 가지며, 상기 절두 원추형 표면은 상기 외경 표면으로부터 내경 표면으로 하향으로 경사져 있으며, 상기 바닥 표면 전체 걸친 높이 차이가 0.002 내지 0.02 ㎜ 범위인,

   화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 바닥 표면은 상기 내경 표면과 외경 표면 사이에 정확히 하나의 절두 원추형 표면을 포함하는,

   화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 절두 원추형 표면은 상기 내경 표면으로부터 외경 표면으로 연장하는,

   화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 바닥 표면은 상기 상부 표면에 평행하며 상기 절두 원추형 표면의 내측 반경 방향으로 위치되는 정확히 하나의 평탄 표면을 구비하는,

    화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 바닥 표면은 상기 내경 표면과 외경 표면 사이에 정확히 두 개의 절두 원추형 표면을 가지며, 제 2 절두 원추형 표면은 상기 내경 표면으로부터 외경 표면으로 하향으로 경사져 있는,

    화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 바닥 표면은 상기 상부 표면에 평행하며 상기 두 개의 절두 원추형 표면들 사이에 위치되는 정확히 하나의 평탄 표면을 포함하는,

    화학 기계적 연마에 사용되는 유지 링.
13. 유지 링의 제조 방법으로서,

    소자 기판의 연마에 사용되는 폴리싱 머신 상의 유지 링의 브레이크-인(break-in)의 결과에 따른 유지 링 바닥 표면에 대한 평형 프로파일을 결정하는 단계, 및

    타겟 프로파일을 제공하도록 환형 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거하는 단계를 포함하며,

    상기 제거 단계는 상기 유지 링의 바닥 표면으로부터 재료를 제거하는데 사용되는 제 1 머신을 사용하여 수행되며, 상기 타겟 표면 프로파일은 상기 평형 프로파일과 일치하고,

    상기 타겟 프로파일은 0.001 내지 0.05 ㎜ 범위의 상기 바닥 표면 전체 걸친 높이 차이를 가지는,

    유지 링의 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 재료를 제거하는 단계는 상기 유지 링의 바닥 표면을 랩핑(lapping)하는 단계를 포함하는,

    유지 링의 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 랩핑하는 단계는 기판을 고정하는 유지 링 없이 수행되는,

    유지 링의 제조 방법.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 재료를 제거하는 단계는 상기 유지 링의 바닥 표면을 기계 가공하는 단계를 포함하는,

    유지 링의 제조 방법.
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18. 제 13 항에 있어서,

    상기 유지 링은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 바닥 표면, 상기 내경 표면과 바닥 표면의 연결부에 있는 내부 에지, 및 상기 외경 표면과 바닥 표면의 연결부에 있는 외부 에지를 가지며, 상기 바닥 표면의 타겟 프로파일은 상기 내부 에지 및 외부 에지를 아래로 돌출하는 반경 방향 횡단면을 따른 볼록 형상을 가지며, 상기 바닥 표면의 최저부는 상기 외경 표면보다 내경 표면에 더 가까운,

    유지 링의 제조 방법.
19. 제 13 항에 있어서,

    상기 유지 링은 상부 표면, 내경 표면, 외경 표면, 및 바닥 표면을 가지며, 상기 바닥 표면의 타겟 프로파일은 상기 내경 표면과 외경 표면 사이에 절두 원추형 표면을 가지며, 상기 절두 원추형 표면은 상기 외경 표면으로부터 내경 표면으로 하향으로 경사지는,

    유지 링의 제조 방법.
20. 제 13 항에 있어서,

    상기 타겟 프로파일을 갖는 유지 링을 기판의 연마에 사용되는 제 2 머신에 고정하는 단계, 및

    상기 유지 링 내의 기판을 랩핑된 바닥 표면에 고정하는 동안 기판을 연마하는 단계를 더 포함하며,

    상기 기판은 상기 제 2 머신의 연마 표면과 접촉하는,

    유지 링의 제조 방법.
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