KR102150997B1 - 전기화학적 프로세서들의 시일 링들 - Google Patents

Abstract

전기화학적 프로세서의 시일 링은 웨이퍼 표면에 대해 압착될 때 측방향으로 미끄러지거나 변형되지 않는다. 시일 링은 프로세서의 로터 상에 설치될 수 있으며, 시일 링은 단부를 통해 팁 원호에 연결되는 외벽을 갖는다. 외벽은 직선형 벽체일 수 있다. 더 정밀한 밀봉 치수를 제공하기 위해 비교적 강성의 지지 링이 시일 링에 부착될 수 있다. 웨이퍼 표면에서 측방향으로 변형되거나 미끄러지는 나이프 에지 시일 링들이 사용될 수도 있다. 이러한 구조들에 있어서, 미끄러짐이 실질적으로 균일하고 일관됨으로써, 성능 개선으로 이어진다.

Description

전기화학적 프로세서들의 시일 링들{SEAL RINGS IN ELECTROCHEMICAL PROCESSORS}

반도체 집적 회로들과 다른 마이크로-스케일 디바이스들을 제조하기 위해서는 통상적으로 웨이퍼 또는 다른 기판상에 다수의 금속층들을 형성하여야 한다. 평탄화, 에칭 및 포토리소그래피와 같은 다른 공정들과 함께 금속층들을 전기도금함으로써, 마이크로-스케일 디바이스들을 형성하는 패터닝된 금속층들이 생성된다.

전기도금은 기판 또는 기판의 일면을 액체 전해질의 배스(bath)에 두고 기판 표면상의 도전층에 전기 접점들을 접속함으로써 실시된다. 전해질과 도전층을 전류가 통과하게 된다. 전해질 내의 금속 이온들이 기판에 증착되거나 석출되어 기판상에 금속층을 생성하게 된다. 또한, 금속 이온들은 전기 접점들에도 석출되는 경향이 있다. 소위 "플레이트-업(plate-up)"이라 하는 이러한 영향은 접점들의 주변의 전기장을 변화시킴으로써, 불균일한 도금을 초래한다. 따라서, 전기 접점들에 도금된 금속은 반드시 제거되어야만 하는데, 이는 제조 프로세스의 복잡성과 시간 요건들을 증가시킨다.

접점들의 플레이트-업을 피하기 위해, 소위 건식 또는 폐쇄형 접촉링들이 개발되었다. 이러한 구조들에 있어서, 시일 링은 전기 접점들로부터 전해질을 밀봉한다. 전기 접점들은 기판의 외주에서 기판상의 도전층에 접속하게 된다. 시일 링이 전기 접점들의 방사상 내측에 있는 기판 표면에 접촉함으로써, 접점들은 전해질로부터 격리된 상태로 유지된다.

건식 접촉 링에 시일을 사용함으로써 플레이트-업 문제를 해소할 수는 있지만, 건식 접촉 링들은 그들 고유의 결함이 있다. 처음에, 건식 접촉 링의 시일이 기판 표면의 환형 영역을 필수적으로 접촉하거나 덮게 되는데, 그 영역은 디바이스들을 형성하는데 사용될 수 없다. 따라서, 시일이 사용되면, 이용가능한 기판 표면의 일부를 희생시켜야만 한다. 시일이 웨이퍼 에지 주변의 전기장을 과도하게 교란해서도 안되지만, 전기도금의 품질은 저하될 것이다. 몇몇 프로세서들에 있어서, 연속적인 웨이퍼 도금 사이클들이 지남에 따라 시일도 플레이트-업될 수 있다(즉, 금속이 시일에 도금됨). 균일한 고품질의 금속 도금 웨이퍼들을 제공함에 있어서 시일의 플레이트-업을 회피하는 것이 또한 중요하다. 또한, 시일은 누설 없이 많은 횟수의 도금 사이클에 걸쳐 신뢰할 수 있고 일관되게 기능을 수행하여야만 하고, 도금 사이클 이후에 웨이퍼에 최소로 점착하여야 한다.

시일 링은 웨이퍼 표면에 대해 밀봉되었을 때 미끄러지지 않도록 설계된다. 시일 링은 프로세서의 로터 상에 설치될 수 있으며, 시일 링은 팁 원호(tip arc)에 결합된 외벽을 갖는다. 외벽은 직선형 벽체일 수 있다. 더 정밀한 밀봉 치수를 제공하기 위해 비교적 강성의 지지 링이 시일 링에 부착될 수 있다. 시일은, 예컨대, 금속 지지 링에 선택적으로 성형될 수 있다. 웨이퍼 표면에서 측방향으로 변형되거나 미끄러지는 나이프 에지 시일 링들이 사용될 수도 있다.

이러한 구조들에 있어서, 미끄러짐이 실질적으로 균일하고 일관됨으로써, 성능 개선으로 이어진다. 본 발명의 시일 링들은 웨이퍼와 최소의 접촉 면적을 가짐으로써, 수율을 향상시킨다.

도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 각 도면들에서 동일한 요소를 표시한다.
도 1은 전기화학적 프로세서의 단면도이다.
도 2는 리프트/회전 메커니즘 상에 지지된 도 1에 도시된 헤드의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 종래 기술의 시일 조립체의 도면들이다.
도 6은 제 1 시일 조립체의 확대 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 시일 조립체의 다른 확대 상세도이다.
도 8 및 도 9는 제 2 시일 조립체의 확대 단면도들이다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 시일 조립체의 변형을 나타낸 단면도이다.
도 11은 기판과 접촉한 상태를 도시한 제 3 시일 조립체의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학적 프로세서(20)는 헤드(22) 내에 로터(24)를 갖는다. 로터(24)는 시일(80)을 가진 접촉 링(30)과 배면판(26)을 포함한다. 접촉 링 액추에이터(34)들은 접촉 링(30)을 수직으로(도 1의 T 방향으로) 이동시켜, 접촉 링(30)과 시일(80)을 웨이퍼 또는 기판(50)의 하향면에 접촉시킨다. 헤드의 내부 부품들을 밀봉하기 위해 벨로우즈(32)가 사용될 수 있다. 접촉 링은 통상적으로 웨이퍼(50) 상의 도전층에 접촉하는 금속 핑거들을 갖는다. 헤드(22)는 베이스(36) 내의 용기(38)에 유지된 액체 전해질의 배스 속에 기판(50)을 위치시키도록 배치된다. 하나 또는 그 초과의 전극들이 액체 전해질과 접촉한다. 다수의 동심 외부 전극들이 사용될 수 있지만, 도 1은 단일의 외부 전극(42)에 의해 둘러싸인 중앙 전극(40)을 가진 구조를 도시하고 있다. 유전 물질로 제조된 전기장 형상 제어 유닛(44)이 전극들과 웨이퍼 사이의 용기 내에 배치될 수 있다.

멤브레인 아래의 하부 챔버에 양극액이 있고 멤브레인 위의 상부 챔버에 음극에 있도록, 멤브레인(60)이 선택적으로 포함될 수 있다. 전류는 당업계에 잘 알려진 바와 같이 전극들로부터 전해질을 통해 웨이퍼 상의 도전면으로 흐른다. 전기도금시 웨이퍼를 회전시키기 위해 헤드 내의 모터(28)가 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 헤드(22)는 리프터(72)와 로테이터(76)를 가진 리프트/회전 메커니즘(62)의 아암(74)에 지지될 수 있다. 리프트/회전 메커니즘(62)은 헤드(22)에 웨이퍼들을 탈착하기 위해 헤드(22)를 헤드-업 위치로 회전시키거나 뒤집기 위해 사용될 수 있다. 그 다음, 로테이터가 헤드를 헤드-다운 위치로 회전시키고, 리프터가 헤드(22)를 베이스 상의 프로세싱 위치로 하강시킨다. 대안적으로, 헤드는 로테이터가 전혀 없이 리프터 상에 지지될 수 있다. 이 구조에 있어서, 웨이퍼는 헤드(22)가 도 2에 도시된 헤드-다운 위치에 있는 상태에서 탈착된다.

다양한 시일 구조들이 전기화학적 프로세서들에서 사용되었다. 도 3 내지 도 5는 일 예를 도시하고 있다. 넓은 표면적을 덮는 시일들이 웨이퍼 상의 비어들 또는 유사한 피쳐들 위를 더 잘 가로지를 수 있다. 그러나, 이들은 도금 사이클 이후에 웨이퍼 표면에 점착하는 경향이 있으며, 좁은 구조들만큼 가요성(compliance)이 크지 않다. 따라서, 넓은 시일들은 높이가 변하는 피쳐들 위도 역시 밀봉할 수 없다.

통상의 O-링은, 2개의 밀봉면들 사이에 클램핑되는 경우, 당연히 미끄러질 수 없다. 그러나, 전기분해 프로세서 내에서 클램핑되는 O-링 시일 구조는 매우 높은 구조물을 필요로 할 것이며, 이는 웨이퍼의 에지에서 전기장과 물질 전달을 방해하며, 기포들을 포획하는 경향을 나타낼 것이다. 따라서, 전기분해 프로세서들에 있어서, 시일들은 통상적으로 도 4에 도시된 바와 같이 보형(beam-like) 또는 외팔보형 구조물의 팁/림(rim)에 있는 탄성중합체이다. 이 구조물이 부하를 받거나 변형되면, 시일을 방사상 내측으로 미끄러지게 하는 방사상 팁 운동이 생긴다. 시일이 미끄러지는 정도와 여부는 시일과 웨이퍼 표면 간의 마찰의 함수이다. 웨이퍼 표면 상의 구리 블랭킷(blanket)의 블랭킷 층은 웨이퍼 상의 포토마스크층에 비해 시일에 대해 매우 다른 마찰을 가질 수 있다.

시일 거동에 대한 분석과 수학적 모델링은 시일 팁이 도 10에 도시된 바와 같이 웨이퍼에 접촉하고 있을 때 방사상 내측 또는 외측으로 미끄러지거나 변형될 수 있음을 보여준다. 대안적으로, 시일이 어떤 표면들에 점착하여 미끄러지지 않을 수도 있다. 시일이 웨이퍼의 어떤 부분들에서는 미끄러지고 다른 부분들에서는 미끄러지지 않는다면, 미끄러지는 영역들과 접착하는 영역들 사이에서 누설이 발생할 수 있다. 또한, 노출된 도금 영역과 도금 균일성이 미끄러짐에 의해 악영향을 받을 수 있다.

그러나, 공지의 시일들이나 가변하는 구조들은 다른 전해질들과 웨이퍼 표면들과 사용될 경우 미끄러지거나 미끄러지지 않을 수 있다. 예컨대, 시일이 구리 시드 웨이퍼들에서는 미끄러지지 않지만, 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼들에서는 미끄러질 것이므로, 다양한 프로세스들에서 일관되지 않은 결과를 가져오게 된다. 300㎜(12인치) 웨이퍼의 공칭 웨이퍼 결합력은 약 14 내지 23kgf(30 내지 50lbs)이므로, 시일이 어떤 웨이퍼들에서는 미끄러지고 다른 웨이퍼들에서는 미끄러지지 안으면 시일 가요성과 에지-축출(edge-exclusion)에 있어서 상당한 편차가 있을 수 있다. 아마도, 시일이 동일한 웨이퍼 상에서 미끄러지는 정도가 다르면(즉, 시일이 웨이퍼의 일면에서만 미끄러지면), 더 불균일한 결과가 초래될 것이다.

다양한 웨이퍼 표면상에서 일관되고 균일하게 미끄러지도록 시일을 설계함으로써, 시일의 성능 개선이 이루어질 수 있다. 시일 팁이 웨이퍼에 접촉하는 동안 미끄러지지 않고 압축하거나 변형하도록, 미끄러짐에 대해 완전히 성공적으로 저항하도록 시일을 설계함으로써, 시일의 성능 개선이 이루어질 수 있다.

도 6 및 도 7은 미끄러짐에 대해 저항하는 시일 조립체(100)를 도시하고 있다. 이 미끄러짐 방지 구조에 있어서, 예컨대, 금속으로 제조된 지지 링(104)에 Viton^®플루오로엘라스토머와 같은 시일 물질로 이루어진 성형된 시일 링(102)이 부착된다. 지지 링(104)은 두께가 0.25 내지 0.75㎜(0.01 내지 0.03인치)인 스테인리스강일 수 있다. 지지 링(104)의 내부 에지는 시일 링(102)의 슬롯(106) 내부에 삽입되거나 배치될 수 있다. 도 6 및 도 7에서, 시일 조립체(100)는 도시를 목적으로 아래를 향해 뒤집힌 상태로 도시되어 있다. 전기화학적 프로세서(20)에 설치될 때, 시일 조립체는 도 3 내지 도 5에 도시된 시일 조립체(80)와 동일한 방위로 위를 향하게 된다. 따라서, 도 6에 도시된 표면(103)을 상면이라 하고 있으나, 사용시 이는 시일 조립체(100)의 하부에 놓인다. 도 6에 도시된 구조의 대안으로서, 인서트나 다른 기계적 요소의 부착을 이용하지 않고, 지지 링에 시일이 오버몰드될 수 있다.

도 6 및 도 7을 계속 참조하면, 시일 링(102)의 내경(108)에 있는 원호부(110)는 평탄한 상면(103)으로부터 시일 링(102)의 직선부(112)로 전이한다. 실질적으로 수직일 수 있는 직선부(112)는 팁 원호(116)로 전이하거나 연결된다. 단부 반경(118)은 팁 원호(116)와 외벽(120) 사이로 연장하며, 상기 외벽은 직선일 수 있으며 상기 직선부(112)와 평행할 수도 있다.

상기 단부 반경(118)은 0.025 내지 0.125㎜(0.001 내지 0.005인치) 또는 0.025 내지 0.075㎜(0.001 내지 0.003인치)의 범위일 수 있다. 상기 팁 원호(116)는 0.25 내지 0.75㎜(0.010 내지 0.30인치) 또는 0.40 내지 0.60㎜(0.015 내지 0.025인치)의 범위의 반경을 가질 수 있다. 도 6에서 치수(HH)(시일 링(102)의 높이)는 1.25 내지 5㎜(0.05 내지 0.20인치) 또는 2 내지 4㎜(0.08 내지 0.15인치)의 범위일 수 있다. 치수(II)는 0.7 내지 1.7㎜(0.03 내지 0.07인치) 또는 1 내지 1.5㎜(0.04 내지 0.06인치)의 범위일 수 있다. 치수(WD), 즉 직선부(112)의 내경은 300㎜(12인치) 웨이퍼와 함께 사용하기 위해 통상적으로 294.6 내지 296㎜(11.600 내지 11.640인치)일 수 있다. 물론, 프로세싱되는 웨이퍼의 직경에 따라 WD가 변할 수 있다. 450㎜(18인치) 직경의 웨이퍼를 위해, WD는 447 내지 448㎜(17.60 내지 17.64인치)일 수 있다. 상기 시일 링(102)의 하면(124)에 외벽(120)을 연결하는 내부 반경(122)은 0.15 내지 0.25㎜(0.006 내지 0.010인치)의 반경을 가질 수 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 시일 링(102)은, 웨이퍼와 접촉하도록 압착될 때 거의 또는 전혀 미끄러지지 않기 때문에, 미끄러짐 방지 구조이다. 시일 링(102)의 단부(118)는, 폭이 대략 0.12 내지 0.37 또는 0.62㎜(0.005 내지 0.015 또는 0.025인치)인 웨이퍼 상의 좁은 환형 표면에 접촉한다. 상기 단부(118)는 내측 또는 외측으로 변형되거나 미끄러지지 않는다. 웨이퍼와 접촉하도록 시일 링(102)과 접촉 링 상의 전기 접점들을 이동시키기 위해, 액추에이터(34)들에 의해 접촉 링(30)이 위로 당겨진다.

저 슬립(low-slip) 또는 제로 슬립(zero-slip) 구조를 구현하기 위해, 시일의 여러 부분들의 치수들이 선택될 수 있다. 사용시, 시일 구조물의 한 부분 또는 영역(즉, 원호부(110) 주변 구조물을 지난 탄성중합체 또는 링(104))이 약간 위로 변형되어 팁을 방사상 외측으로 이동시키는 반면, 다른 부분(즉, 팁 원호(115)와 벽(120))은 방사상 외측으로 변형된다. 시일은 시일 구조물의 일부에서의 방사상 내측 운동이 시일 구조물의 다른 부분의 외측 운동과 일치하도록 설계될 수 있다. 그 결과, 단부(118)에서의 순 미끄러짐 운동이 최소가 되며, 예컨대, 0.5㎜ 미만, 0.25㎜, 0.2㎜, 0.1㎜, 0.05㎜ 또는 심지어 0이 된다.

시일 링(102)에 인가되는 접촉력은, 예컨대, 11.62ID 시일 링에 있어서, 약 40 내지 120파운드로 다를 수 있다. 접촉력은 단부(118)와 팁 원호(116)가 거의 또는 전혀 미끄러지지 않고 변형되도록 한다. 이러한 미끄러짐 방지 구조는, 비교적 강성의 금속 지지 링(104)의 사용과 함께, 더 정밀한 밀봉 치수를 제공하고, 이는 패턴들이 웨이퍼의 에지에 근접하도록 이동하기 때문에 수율을 향상시킨다. 미끄러짐 방지 시일 링(102)은 시일이 웨이퍼에 접촉할 때 시일 단부(118)가 측방향으로 이동하려는 경향 없이 주어진 힘에 대해 소량 변형되고 가요성을 갖는다. 이에 따라, 단부(118)가 아래로 말려 들어가서 시일 성능에 영향을 미칠 가능성을 피할 수 있다.

도 8 및 도 9는 나이프 에지 구조를 구비한 시일 링(130)을 가진 대안적인 시일 조립체를 도시하고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시일 링(130)은 원호부(110)와, 외부 경사면(138)을 구비한 나이프 에지(136)를 형성하는 직선부(134)를 갖는다. 외부 반경(140)은 시일 링(130)의 수평면으로부터 외부 경사면(138)까지 연장한다. 링 판(104)에는 링 홀(105)이 제공되어 있다. 그 외에는 시일 링(130)은 시일 링(100)과 유사할 수 있다.

사용시, 시일 링(130)의 나이프 에지는 웨이퍼에 내경에서 접촉한다. 시일 링(130)은 특정되어 인가되는 접촉력에 대해 더 많이 변형될 것이다. 그러나, 미끄러짐의 변위는 균일하다. 도 8을 참조하면, CC는 0.25 내지 1.5 또는 0.5 내지 1㎜(0.01 내지 0.06 또는 0.02 내지 0.04인치)일 수 있다. 각도(DD)는 10 내지 30 또는 15 내지 25°일 수 있다. 각도(FF)는 25 내지 55, 30 내지 40, 또는 35 내지 45°일 수 있다. 반경(EE)은 0.5 내지 0.75㎜(0.02 내지 0.03인치)일 수 있다.

도 11은 페이스-업 위치에 있는 반전 나이프 에지 시일(150)을 도시하고 있다. 반전 나이프 에지 시일(150)은 내부 및 외부 벽체(154, 156)들을 구비한 단부 또는 사다리꼴 부분(152)과, 내벽(156)을 구비하고 둔각(KK)을 형성하는 상면(158)을 가질 수 있다. 각도(KK)는 90 내지 130 또는 100 내지 120°의 범위일 수 있다. 벽체(154, 156)들과 상면(158)은 직선일 수 있다. 내벽(154)과 상면(158)은 나이프 에지(160)를 형성한다. 상면(158)과 웨이퍼 표면 사이에 차폐 영역(162)이 형성된다. 단부(152)는 내부 및 외부 반경(164, 166)들을 통해 시일 링(150)의 수평 상면과 하면으로 전이된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 시일 링(150)이 웨이퍼(50)에 접촉함에 따라, 표면(158)은 웨이퍼 표면과 예각(JJ)을 형성하며, 상기 예각(JJ)은 10 내지 45°의 범위일 수 있다.

시일 링(150)은 나이프 에지 시일 링(130)과 마찬가지로 비교적 높은 국소적 유연성을 갖는다. 시일 링(150)은 시일-웨이퍼 인터페이스에서 도금 속도를 직접적으로 차폐하는 것을 도울 수도 있다. 이는 몇몇 화학 물질들에 의한 시일 물질의 플레이트-업에 기인한 밀봉 실패를 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 시일 링(130, 150)들은 모두 종래의 구조들보다 적은 접촉 면적으로 밀봉한다. 시일 링(130)은 시일의 매우 내측에 있는 직경에서 밀봉한다. 시일 링(150)은 시일 립을 시일 안쪽으로(웨이퍼의 에지에 가깝게) 당긴다. 시일 립의 지점을 생성하는 하면이 이제 시일의 전면이 된다. 이는 높은 전류 밀도로부터 시일 립을 차폐하는 돌출부를 생성한다. 돌출부(162)는 웨이퍼가 시일에 접촉하는 부분에서 국소적인 도금 속도를 줄일 수 있으며, 시일 플레이트-업 성향을 줄일 수 있다.

Claims (18)

1. 전기화학적 프로세서(20)에서 사용하기 위한 시일로서,
   평탄한(flat) 수평 정상부 표면(103)을 가지는 시일 링(100);
   상기 시일 링의 평탄한 수평 정상부 표면으로부터 시일 링의 일직선인 수직 섹션(112)으로 연장되는 시일 링의 내경에서의 원호(arc) 섹션(110);
   상기 전기화학적 프로세서에서 처리된 기판(50)과 접촉하기 위한, 외벽(120)의 하단부에서 단부 반경(118)을 가지는 시일 링 상의 팁(tip) 원호(116)로서, 상기 외벽은 상기 일직선인 수직 섹션에 평행한 것인, 팁 원호(116);
   상기 시일 링을 지지하는 지지 링(104)으로서, 상기 지지 링의 내부 에지(edge)는 시일 링 내의 외향 수평 슬롯(106) 내로 삽입되는 것인, 지지 링(104)을 포함하는,
   시일
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 팁 원호는 상기 기판 상에서 미끄러지지 않고 기판과 맞물리는 동안 압축되는 것인,
   시일.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 외벽은 일직선이고 수직하며, 그리고 상기 일직선인 수직 섹션(112)과 평행한 것인,
   시일.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 시일 링은 1.25 내지 5 mm의 높이를 가지는 것인,
   시일.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 시일 링은 294.6 내지 295.7 mm의 내경을 가지는 것인,
   시일.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 팁 원호는 상기 단부 반경(118)에서 웨이퍼 상의 좁은 환형 표면과 접촉하는 곡률을 가지는 것인,
   시일.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 단부 반경은 0.025 내지 0.125 mm의 곡률 반경을 가지는 것인,
   시일.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 링은 금속을 포함하고, 상기 시일 링은 플루오로엘라스토머(fluoroelastomer)를 포함하는 것인,
   시일.
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