KR100349216B1

KR100349216B1 - 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드

Info

Publication number: KR100349216B1
Application number: KR1020000020674A
Authority: KR
Inventors: 박철규
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2002-08-14
Also published as: JP2001358103A; US20010034199A1; JP3810647B2; KR20010096967A; US6517421B2

Abstract

연마패드에 웨이퍼를 균일하게 밀착시켜 웨이퍼의 중심부와 가장자리를 균일하게 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드가 개시되어 있다. 화학적 기계적 연마 장치의 연마헤드에서, 하우징은 공기 유로를 구비하며, 공기의 유동을 안내한다. 캐리어는 상기 하우징에 연결되며, 연마패드에 의해 연마되는 웨이퍼를 지지한다. 척킹장치는 상기 캐리어에 장착되어 진공압을 이용하여 웨이퍼를 파지한다. 유지부재는 상기 캐리어의 가장자리를 따라 장착되며 상기 웨이퍼 척킹장치를 안내하고 상기 웨이퍼 척킹장치에 의해 파지된 웨이퍼를 보호 유지한다. 상기 캐리어와 상기 척킹장치는 공기압 및 진공압에 의해 상하로 이동되며, 상기 캐리어에 연결된 상기 유지부재 또한 상기 캐리어가 상하 이동함에 따라 상기 캐리어와 함께 상하로 이동한다. 공기압을 이용하여 상기 웨이퍼를 상기 연마패드에 균일하게 밀착시킬 수 있으며, 그에 따라 상기 웨이퍼의 중심부와 가장자리를 정확하고 일정하게 연마할 수 있다.

Description

화학적 기계적 연마장치의 연마헤드{POLISHING HEAD OF CHEMICAL AND MECHANICAL APPARATUS FOR POLISHING WAFER}

본 발명은 화학적 기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마패드에 웨이퍼를 균일하게 밀착시켜 웨이퍼의 중심부와 가장자리를 균일하게 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 상에 집적회로를 제조하는 과정에서 웨이퍼 전면 또는 배면을 평탄화하기 위하여 통상적으로 화학적 기계적 연마 공정을 거치게 된다. 이와 같은 화학적 기계적 연마 공정을 이용한 평탄화 기술은 반도체 집적회로의 집적도가 높아지고 웨이퍼의 대구경화 추세에 따라 더욱 더 중요한 가공 기술로 취급되고 있다.

웨이퍼 표면을 평탄화하는 데 사용되는 화학적 기계적 연마 시스템은 크게 구분하여 웨이퍼 카세트의 장.탈착 장치, 웨이퍼 이동장치, 연마장치, 웨이퍼 세정장치와 이들의 제어장치로 구성된다. 이중에서 연마장치는 웨이퍼를 지지하면서 회전 가압하는 연마헤드, 연마패드가 부착된 연마정반, 및 그 구동기구, 연마패드의 드레싱 기구, 웨이퍼 척면의 세정 기구, 슬러리 공급기구로 구성된다.

기계적 연마에 있어서 웨이퍼 표면의 제거속도는 연마압력과 연마속도에 비례한다. 화학적 기계적 연마장치와 같이 화학적인 작용이 부가된 연마에서는, 여기에 웨이퍼 표면과 슬러리의 화학반응이 부가된다. 웨이퍼 표면의 어느 위치에 대해서도 연마하중, 연마속도, 슬러리의 양, 웨이퍼 면과 연마패드의 마찰, 연마온도 등을 균일하게 할 수 있다면, 광역 평탄화 및 잔류막 두께의 균일화를 달성할 수 있을 것이다. 그러나, 실제로는 앞에서 서술한 인자나 연마패드의 표면상태가 웨이퍼 면내에서 시간에 따라 변화하고, 잔류막 두께가 불균일하게 된다. 그리고, 디슁(dishing )이나 티닝(thinning)이 발생하고, 디바이스의 수율에 영향을 미치게 된다. 이러한 인자를 경험적으로 또는 과학적으로 제어할 필요가 있다.

화학적 기계적 연마에서는 연마제거량이 1㎛ 이하이며, 연마 후의 표면 평탄도는 0.01㎛ 이하가 요구된다. 따라서, 웨이퍼를 어떻게 하면 고정밀도로 지지하는 가가 매우 중요하다. 그 때문에, 웨이퍼를 지지, 가압하는 연마헤드의 구조에 대해서 여러 가지 연구가 이루어져 왔다.

일본 특허 공개평 제10-256202호에는 실리콘 고무제의 이중 유체 압력실을 구비하여 균일한 연마가 진행되도록 한 연마방법 및 연마장치가 개시되어 있으며, 일본 특허 공개평 제9-246218호에는 폴리에칠렌제의 압축 팽창용 필름을 이용하여 백 패드를 팽창시켜 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 연마방법 및 연마장치가 개시되어 있다. 미국특허 제5,605,488호에는 다수의 셀을 구비하여 각각의 셀의 압력을 조절할 수 있는 연마장치가 개시되어 있으며, 미국특허 제5,851,136호에는 가요성 플레이트를 이용하여 압력에 따라 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 연마장치가 개시되어 있다. 미국 특허 제5,803,799호(1998년 9월 8일자로 볼로다스키(volodarsky) 등에게 허여됨)에는 반도체 웨이퍼를 연마하는데 사용하기 위한 연마헤드가 개시되어 있다.

도 1은 볼로다스키의 특허에 따른 연마헤드(10)의 단면도이다. 도 1로 나타낸 바와 같이, 상술한 연마헤드(10)는, 하우징(14), 상기 하우징(14)에 장착되고 웨이퍼 지지면(50)을 구비하는 웨이퍼 캐리어(20), 및 상기 하우징(14)에 장착되고 상기 웨이퍼 지지면(50)의 적소에 웨이퍼(W)를 유지하도록 형성된 웨이퍼 리테이너(22)를 구비한다. 상기 웨이퍼 캐리어(20)와 상기 웨이퍼 리테이너(22) 중 적어도 하나는 상기 하우징(14)에 가동가능하게 장착되며, 연마 작업시에 상기 웨이퍼 캐리어(20)와 상기 웨이퍼 리테이너(22) 사이에 적절한 바이어스 힘을 생성하는 수단(diaphragm)이 제공된다.

상술한 바와 같이 구성된 볼로다스키의 특허에 따른 연마헤드(10)는, 웨이퍼 캐리어(20)에 가해진 바이어스 힘에 의해 웨이퍼(W)가 연마패드와 밀착되고, 리테이너(22) 또한 웨이퍼 캐리어(20)에 가해진 바이어스 힘에 의해 연마패드와 밀착된 상태에서, 상기 웨이퍼를 연마한다. 따라서, 연마패드에 웨이퍼를 균일하게 밀착시킬 수 있기 때문에, 웨이퍼의 전면(whole surface)에 걸쳐 고르게 연마할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 볼로다스키의 특허에 따른 연마헤드는, 웨이퍼 캐리어와 리테이너사이에 바이어스 힘을 적절히 조절할 경우에만, 연마패드에 웨이퍼를 균일하게 밀착시킬 수 있으나, 상기 웨이퍼 캐리어와 리테이너 사이의 바이어스 힘을 적절히 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다.

그에 따라, 웨이퍼의 가공면이 상기 연마패드에 균일하게 밀착하지 못하게 되며, 그 결과 웨이퍼의 중심부의 연마 정도와 가장자리의 연마 정도가 불균일하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연마 패드에 웨이퍼를 균일하고 정확하게 밀착시켜 웨이퍼의 중심부와 가장자리를 균일하게 연마할 수 있는 화학적 기계적 연마장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 나타낸 단면도로, 척킹장치가 웨이퍼를 파지할 수 있도록 캐리어가 상승된 상태를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 나타낸 단면도로, 척킹장치와 캐리어에 의해 웨이퍼가 연마패드 위로 이송되는 상태를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 나타낸 단면도로, 캐리어를 하강시켜 연마패드 면에 유지부재를 접촉시킨 상태를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 나타낸 단면도로, 캐리어와 척킹장치를 하강시켜 연마패드 면에 웨이퍼를 접촉시킨 상태를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 연마헤드 110: 하우징

120: 캐리어 126, 128: 클램프

130: 척킹장치 132: 팽창부재

134: 척킹부재 135: 공기 유동관

136: 시트 138: 고정부재

140: 유지부재 150, 160, 170: 공기 챔버

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 공기 유로를 구비하며, 공기의 유동을 안내하기 위한 하우징; 상기 하우징에 연결되며, 연마패드에 의해 연마될 웨이퍼를 지지하기 위한 캐리어; 상기 캐리어에 장착되며, 진공압을 이용하여 웨이퍼를 파지하기 위한 웨이퍼 척킹수단; 그리고 상기 캐리어의 가장자리를 따라 장착되며, 상기 웨이퍼 척킹수단을 안내하고 상기 웨이퍼 척킹수단에 의해 파지된 웨이퍼를 보호 유지하기 위한 유지수단을 구비하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드에서는, 웨이퍼 척킹수단 및 유지수단이 캐리어에 의해 안내 이동되는 한편, 척킹수단과 캐리어는 공기압에 의해 각각 별도로 상하로 이동가능하다. 또한, 척킹수단이 유지수단 및 캐리어와 일체로 회전하기 때문에 캐리어와 웨이퍼 척킹수단 사이에 비틀림이 발생하지 않게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼 척킹수단이 파지한 웨이퍼를 연마패드와 균일하게 밀착시켜, 웨이퍼의 일면을 일정하게 연마할 수 있다.

또한, 웨이퍼 척킹수단이 웨이퍼를 진공 흡착하여 파지하므로, 웨이퍼의 중앙부와 가장자리가 상기 연마패드와 균일하게 접하게 되어, 웨이퍼의 중앙부와 가장자리를 균일하게 연마할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드(100)에 대해 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 5로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드(100)는, 공기 유로를 구비하며, 공기의 유동을 안내하기 위한 하우징(110); 상기 하우징(110)에 연결되며, 연마패드에 의해 연마될 웨이퍼를 지지하기 위한 캐리어(120); 상기 캐리어(120)에 장착되며, 웨이퍼를 파지하기 위한 웨이퍼 척킹장치(130); 그리고 상기 캐리어(120)의 가장자리를 따라 장착되며, 상기 웨이퍼 척킹장치(130)를 안내하고 상기 웨이퍼 척킹장치(130)에 의해 파지된 웨이퍼를 보호 유지하기 위한 유지부재(140, retainer)를 구비한다.

상기 하우징(110)은, 실축의 원형 단면을 갖는 본체부(112)와 상기 본체부(112)의 일단에서 반경방향 외측으로 연장되는 플랜지부(114)를 포함하며, 상기 본체부(112)는 그 중심에서 하방으로 연장되는 연장부(116)가 형성되며, 상기 플랜지부(114)의 가장자리에는 다수의 관통공이 소정의 간격을 두고 그 가장자리를 따라 환형으로 형성된다.

상기 하우징(110)은, 통상적으로 스테인리스 스틸과 같은 강재로 제작한다.

상기 하우징(110)에는 적어도 3 개의 관통공, 즉 제1 관통공(112a), 제2 관통공(112b), 및 제3 관통공(112c)이 형성되며, 제1 관통공(112a)은 상기 본체부(112)와 그 중심부에 형성된 상기 연장부(116)를 관통하도록 형성되며, 제2 관통공(112b) 및 제3 관통공(112c)은 상기 본체부(112)의 종축선을 중심으로 대칭되도록 배열된다. 상기 하우징(110)의 연장부(116)는, 그 전체 길이에 걸쳐 외주연의 소정 위치에서 반경 방향 외측으로 연장되는 키(key, 도시않됨)를 추가로 구비할 수도 있다. 상기 키는 이하에서 설명하는 캐리어(120)와 내측 클램프의 관통공의 내주면에 형성된 키홈(key way, 도시않됨) 내에 수용되어 연마헤드(100)가 작동하는 동안에 상기 캐리어(120)가 상기 하우징(110)과 함께 일체로 회전할 수 있도록 한다.

상기 제1 관통공(112a)은, 상술한 바와 같이 상기 하우징(110)의 중심부를 관통 연장하며, 상기 캐리어(120)와 상기 척킹장치(130)에 의해 한정되는 공기 챔버와 연통된다. 상기 제1 관통공(112a)을 통해 공급 및 배출되는 공기의 압력에 의해 상기 공기 챔버가 팽창 수축되며, 그에 따라 상기 척킹장치(130)가 하방으로 하강되거나 원위치로 복귀하게 된다.

상기 하우징(110)의 제2 관통공(112b)은, 상기 제1 관통공(112a)으로부터 반경방향 외측으로 소정 거리 만큼 이격되어 형성되며, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120)에 의해 한정된 공기 챔버와 연통한다. 상기 제2 관통공(112b)을 통해 공기가 유동하며, 상기 공기가 상기 공기 챔버내로 공급되면, 상기 캐리어(120)가 하방으로 하강하게 되며, 그 결과 상기 캐리어(120)와 결합된 유지부재(140) 또한 하방으로 하강하여 상기 연마패드의 상면과 접하게 된다. 반면에, 상기 공기 챔버로부터 상기 공기를 배출하면, 상기 공기 챔버가 진공 상태가 되어 상기 캐리어(120)가 원래 위치로 이동하게 된다. 따라서, 상기 유지부재(140) 또한 상기 캐리어(120)와 함께 상방으로 이동하게 된다.

상기 제3 관통공(112c)에는 공기 도관이 관통하여, 상기 하우징(110)의 하면으로부터 하방으로 소정 길이 만큼 연장된다. 상기 제3 관통공(112c)은, 상기 공기 도관에 의해 상기 캐리어(120)를 관통 연장하는 공기 도관과 연결된다. 상기 캐리어(120)의 제2 관통공(122b)에 장착된 상기 공기 도관은 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120) 사이에 형성된 공기 챔버가 팽창하여 상기 캐리어(120)가 하강할 경우, 상기 하우징(110)의 제3 관통공(112c)에 장착된 상기 공기 도관을 따라 기밀을 유지하면서 하방으로 활주한다. 또한, 상기 공기 챔버가 수축하여 상기 캐리어(120)가 승강할 경우에도, 상기 하우징(110)의 제3 관통공(112c)에 장착된 상기 공기 도관을 따라 여전히 기밀을 유지하면서 상방으로 활주한다.

상기 캐리어(120)는, 본체부(122)와 상기 본체부(122)의 하단부에서 반경방향 외측으로 연장되는 플랜지부(124)를 포함한다. 상기 캐리어(120)의 본체부(122) 중심부에는 제1 관통공(122a)이 형성되며, 상기 제1 관통공(122a)으로부터 반경방향 외측으로 소정 거리 만큼 이격된 위치에 제2 관통공(122b)이 형성된다. 상기 플랜지부(124)의 가장자리에는, 상기 본체부(122)의 종축선을 중심으로 방사상으로 다수의 관통공이 형성된다.

상기 캐리어(120)는, 상기 제1 관통공(122a)내로 상기 하우징(110)의 상기 연장부(116)가 삽입되도록 상기 하우징(110)에 연결되어, 상술한 바와 같이 상기 하우징(110)과의 사이에 공기 챔버(150)를 형성한다. 상기 캐리어(110)의 상기 제1 관통공(112a)의 내주면에는 상기 제1 관통공(112a)의 길이 전체에 걸쳐 상기 내주면의 소정 위치에 상기 하우징(110)의 연장부(116)에 형성된 키의 폭 및 높이와 동일한 폭과 깊이를 갖는 키홈(도시않됨)을 형성할 수도 있다. 따라서, 상기 키가 상기 키홈에 삽입 연결되면, 상기 연마헤드(100)가 작동하는 동안에, 상술한 바와 같이 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120)가 일체로 회전하게 되며, 그 결과 상기 캐리어(120)에 각각 연결된 척킹장치(130)와 유지부재(140) 또한 상기 하우징(110) 및 상기 캐리어(120)와 일체로 회전하게 된다.

상기 캐리어(120)의 상기 제2 관통공(122b)에는, 공기 도관이 삽입 장착되며, 상기 공기 도관내로는 상기 하우징(110)의 제3 관통공(112c)에 장착된 공기 도관이 활주가능하도록 삽입 연장된다.

상기 캐리어(120)는, 상기 하우징(110)의 제2 관통공(112b)을 통해 상기 공기 챔버(150)에 공급된 공기의 압력에 의해 하방으로 하강하며, 상기 하우징(110)의 제2 관통공(112b)을 통해 상기 공기 챔버(150)내의 공기를 배출하면 상기 챔버(150)내의 진공압에 의해 상방으로 승강한다.

상기 캐리어(120)는, 상기 캐리어(120)를 상기 하우징(110)에 연결하기 위한 연결부재(126, 128, 129)를 추가로 구비한다. 상기 연결부재(126, 128, 129)는, 원판 형상으로 중심부에 형성된 제1 관통공(126a)과 상기 제1 관통공(126a)으로부터 반경방향으로 소정 거리 만큼 떨어진 위치에 형성된 제2 관통공(126b)을 포함하는 내측 클램프(126), 내경이 상기 내측 클램프(126) 보다 직경이 큰 환형의 외측 클램프(128), 및 소정의 폭을 갖는 환형의 탄성재 시트(129)를 포함하며, 상기 탄성재 시트(129)의 일단부는 상기 내측 클램프(126)에 의해 상기 캐리어(120)의 상면에 기밀을 유지하도록 고정되고, 타단부는 상기 외측 클램프(128)에 의해 상기 하우징(110)의 하면에 기밀을 유지하도록 고정되어, 상기 캐리어(120)를 상기 하우징(110)에 연결한다.

상기 연결부재(126, 128, 129)의 내측 클램프(126)는, 그 일면의 가장자리가 절개되어 계단부를 형성한다. 또한, 상기 가장자리에서 반경방향 내측으로 소정 거리 만큼 떨어진 위치에는 다수의 관통공이 상기 내측 클램프의 중심부를 중심으로 방사상으로 형성된다. 한편, 상기 내측 클램프(126)가 배열되는 상기 캐리어(120)의 상면에는 상기 내측 클램프(126)에 형성된 다수의 관통공에 상응하는 수의 나사공이 상기 캐리어(120)의 중심부를 중심으로 방사상으로 형성된다. 또한, 상기 캐리어(120)의 상부 가장자리도 절개되어 계단부를 형성한다. 이와 같이 형성된 상기 내측 클램프(126)를 상기 캐리어(120)의 상면에 배치할 경우, 상기 내측 클램프(126)의 가장자리와 상기 캐리어(120)의 상부 가장자리에 형성된 계단부가 이루는 환형 홈의 폭은 상기 탄성재 시트(129)의 두께와 같거나 작다.

상기 연결부재(126, 128, 129)의 상기 외측 클램프(128)는, 형상이 환형이며, 직경은 상기 내측 클램프(126) 및 상기 캐리어(120)의 본체부(122) 보다 크다.상기 외측 클램프(128)는, 상단부에서 반경방향 외측으로 소정 거리 만큼 연장되는 플랜지부(128a)가 형성되어 있다. 상기 플랜지부(128a)에는 상기 하우징(110)의 플랜지부(114)에 형성된 다수의 관통공에 상응하는 수의 관통공이 형성되어 있다. 또한, 상기 외측 클램프(128)의 내주연의 상단부는 절개하여 계단부를 형성한다. 상기 계단부의 높이는 상기 탄성재 시트(129)의 두께 보다 작다. 상기 하우징(110)에 상기 외측 클램프(128)를 조립할 시, 볼트를 상기 하우징(110)과 상기 외측 클램프(128)의 플랜지부(128a)에 각각 형성된 다수의 관통공을 관통 연장시킨 후, 상기 볼트를 너트로 체결하여 상기 외측 클램프(128)를 상기 하우징(110)에 고정한다.

상기 연결부재(126, 128, 129)의 환형 탄성재 시트(129)는, 고무 또는 합성 수지재의 탄성체로 제작한다. 상기 환형 탄성재 시트(129)는, 소정의 폭을 가지며, 직경은 상기 내측 클램프(126)와 상기 캐리어(120) 보다 크다.

상기 내측 및 외측 클램프(126, 128)와 상기 탄성재 시트(129)를 이용하여 상기 캐리어(120)를 상기 하우징(110)에 연결할 시, 먼저 상기 탄성재 시트(129)의 외측 가장자리를 상기 하우징(110)의 하면과 상기 외측 클램프(128)의 내주연 상단부에 형성된 계단부 사이에 위치시킨 후, 상기 하우징(110)의 플랜지(114)에 형성된 관통공과 상기 외측 클램프(128)의 플랜지(128a)에 형성된 관통공이 연통되도록 상기 하우징(110)과 상기 외측 클램프(128)를 배열하고, 상기 볼트를 상기 각각의 플랜지(114, 128a)에 형성된 관통공 내로 관통 연장시켜 너트로 체결한다.

그 후, 상기 캐리어(120)와 상기 내측 클램프(126)의 계단부에 의해 형성된 환형 홈에 상기 탄성재 시트(129)의 내측 가장자리가 위치하도록 상기 내측 클램프(126)와 상기 캐리어(120)를 배열한다. 이어서, 상기 내측 클램프(126)에 방사상으로 배열된 다수의 관통공 내로 나사를 관통 연장시켜 상기 관통공에 대응하여 상기 캐리어(120)의 상면에 형성된 나사공에 나사결합시킨다. 따라서, 상기 내측 클램프(126)를 사용하여 상기 탄성재 시트(129)를 상기 캐리어(120)에 결합함으로써, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120)를 연결할 수 있다.

상기 유지부재(140, retainer)는, 내경이 상기 캐리어(120)의 플랜지(124)의 직경 보다 작고, 외경은 상기 캐리어(120)의 플랜지(124)의 직경 보다 크며, 소정의 폭과 높이를 갖는 환형 형상이다. 상기 유지부재(140)는, 그 상단부에 계단부가 형성되며, 상기 계단부의 직경은 상기 캐리어(120)의 플랜지(124)의 직경 보다 크거나 같고, 그 높이는 상기 플랜지(124)의 두께와 같다. 상기 유지부재(140)의 계단부에는 상기 캐리어(120)의 플랜지부(124)에 형성된 관통공에 상응하도록 상기 계단부의 상면에 다수의 나사공을 형성한다. 따라서, 상기 캐리어(120)의 플랜지부(124)에 형성된 관통공과 상기 유지부재(140)의 계단부에 형성된 나사공이 연통하도록 상기 유지부재(140)의 계단부에 상기 캐리어(120)의 플랜지부(124)를 위치시킨 후, 상기 캐리어(120)의 플랜지부(124)에 형성된 관통공에 나사를 관통시켜 상기 유지부재(140)의 계단부 상면에 형성된 나사공에 나사결합하여, 상기 캐리어(120)와 상기 유지부재(140)를 연결한다.

게다가, 상기 유지부재(140)는, 그 내주면에 소정의 각도로 배열된 다수의 긴 홈(142)이 형성된다. 상기 유지부재(140)의 내주면에는 4개의 긴 홈(142)이 90도 각도로 배열되도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 웨이퍼 척킹장치(130)는, 팽창가능한 팽창부재(132), 상기 팽창부재(132)의 하면에 부착되는 웨이퍼 척킹부재(134), 상기 웨이퍼 척킹부재(134)의 하면에 부착되어 웨이퍼 배면의 손상을 방지하기 위한 시트(136), 그리고 상기 팽창부재(132)를 상기 캐리어(120)에 고정하기 위한 고정부재(138)를 포함한다.

상기 팽창부재(132)는, 상기 하우징(110)에 상기 캐리어(120)를 연결하는 데 사용한 환형의 탄성재 시트(129)와 같이 고무 또는 합성 수지재 탄성체로 제작하며, 그 형상은 원판 형상이다. 상기 팽창부재(132)의 가장자리에는 상기 팽창부재(132)의 중심축선을 중심으로 다수의 관통공이 방사상으로 배열된다.

상기 웨이퍼 척킹부재(134)는, 원판형상의 제1 부재(134a)와 상기 제1 부재(134a)의 하면에 부착되어 상기 제1 부재(134a)와의 사이에 공기 챔버를 형성하는 제2 부재(134b)를 포함하며, 상기 제1 부재(134a)의 중심부에는 관통공이 형성되어 있고, 그 관통공에는 공기 유동관(135)이 장착되며, 상기 제2 부재(134b)의 하면에도 다수의 관통공이 형성되어 있다. 상기 제2 부재(134b)는 상기 제1 부재(134a) 보다 직경이 작은 원형의 본체부와 상기 본체부의 가장자리에서 상방으로 소정 높이 만큼 연장되는 환형 벽부를 포함한다. 상기 제2 부재(134b)는, 용접 등의 방법으로 상기 제1 부재(134a)와 일체가 되도록 상기 제1 부재(134a)에 부착한다.

상기 웨이퍼 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)는, 가장자리에서 외측방향으로 서로 소정의 간격을 두고 돌출되는 돌출부(134a')를 포함하며, 상기 웨이퍼 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)에 형성된 돌출부(134a')는, 4개가 형성되며 90 도 각도로 배열된다. 상기 돌출부(134a')는 상기 유지부재(140)의 내주면에 형성된 긴 홈(142)을 따라 상하로 이동가능하도록 상기 긴 홈(142) 내에 삽입된다.

상기 시트(136)는 원판형의 합성수지재 필름으로, 상기 시트(136)에는 상기 제2 부재(134b)의 하면에 형성된 다수의 관통공에 대응하는 다수의 관통공이 형성되어 있다. 상기 시트(136)는 그에 형성된 다수의 관통공이 상기 제2 부재(134b)의 하면에 형성된 다수의 관통공과 연통하도록 배치하여 상기 제2 부재(134b)에 부착한다.

상기 고정부재(138)는, 환형 형상의 제1 부재(138a)와 제2 부재(138b)를 포함한다. 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a)는, 소정의 직경을 갖는 본체부와 상기 본체부의 상부 가장자리와 하부 가장자리에서 각각 반경방향 외측으로 소정 길이 만큼 연장되는 상부 플랜지와 하부 플랜지를 포함한다. 상기 제1 부재(138a)의 상부 플랜지에는 상기 제1 부재(138a)의 종축선을 중심으로 다수의 관통공이 형성된다. 상기 제1 부재(138a)의 상부 플랜지에 형성된 관통공이 상기 캐리어(120)의 하면에 형성된 나사공과 연통하도록 상기 제1 부재(138a)를 배열한 상태에서 나사를 상기 관통공 내로 관통 연장시켜 상기 캐리어(120)에 형성된 나사공에 나사결합 시킨다. 이때, 상기 캐리어(120)와 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a) 사이에 기밀을 유지하기 위하여, 상기 캐리어(120)의 하면과 상기 제1 부재(138a)의 상부 플랜지 상면 사이에 고무제 등의 실(seal)을 배치할 수도 있다. 상기 제1 부재(138a)의 하부 플랜지에도 상기 제1 부재(138a)의 종축선을 중심으로 다수의 관통공이 형성된다.

한편, 상기 고정부재(138)의 제2 부재(138b)는, 환형 형상으로, 상기 제1 부재(138a)의 상기 하부 플랜지에 형성된 다수의 관통공에 대응하도록 다수의 관통공이 형성된다.

이와 같이 구성된 상기 고정부재(138)는, 상기 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)의 중심부에 형성된 관통공에 상기 공기 도관(135)을 억지끼워 맞춤하여 기밀을 유지하도록 장착한 후, 상기 팽창부재(132)의 중심부에 형성된 관통공 내로 상기 공기 도관(135)이 관통 연장하도록 상기 팽창부재(132)를 상기 척킹부재(134)의 제1 부재(138a) 상면에 접착한다. 이어서, 상기 팽창부재(132)의 가장자리로부터 중심부 쪽으로 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 상기 팽창부재(132)의 가장자리를 절곡시켜 상방으로 연장시킨다. 그 후, 상기 팽창부재(132)의 가장자리를 그 중심부 쪽으로 다시 한번 더 절곡하여, 상기 팽창부재(132)의 가장자리에 형성된 다수의 관통공이 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a)의 하부 플랜지에 형성된 관통공과 연통되도록 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a)의 일면에 상기 팽창부재(132)의 가장자리를 위치시킨다. 그 후, 상기 고정부재(138)의 제2 부재(138b)에 형성된 관통공이 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a)의 하부 플랜지에 형성된 관통공 및 상기 팽창부재(132)의 가장자리에 형성된 관통공과 연통하도록 상기 고정부재(138)의 제2 부재(138b)를 상기 팽창부재(132)의 가장자리 위로 배치하여, 상기 팽창부재(132)의 가장자리가 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a)의 하부 플랜지와 상기 제2 부재(138b) 사이에 위치하도록 한다.

상기 고정부재(138)에 상기 척킹부재(134)를 연결하기 전에, 상기 웨이퍼 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)에 장착된 상기 공기 유동관(135)과 상기 캐리어(120)를 관통 연장하는 상기 공기 도관을 급배기관(162)으로 연결하여, 공기가 상기 공기 도관을 통해 상기 제1 부재(134a)와 상기 제2 부재(134b)에 의해 한정된 공기챔버(170)로 공급되고 배출되도록 연통시킨다.

마지막으로, 상기 팽창부재(132), 상기 고정부재(138)의 제1 부재(138a), 및 상기 캐리어(120)에 의해 한정되는 공기 챔버(160)의 기밀을 유지할 수 있도록, 상기 고정부재(138)의 상기 제2 부재(138b)에 형성된 관통공과 상기 팽창부재(132)의 가장자리에 형성된 관통공 내로 나사를 관통 연장시켜 상기 제1 부재(138a)의 플랜지에 형성된 관통공에 나사결합한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연마헤드(100)의 구성 요소를 조립하여 연마헤드(100)를 완성한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마헤드(100)의 각 구성 요소의 작용 관계에 대하여 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마헤드(100)는, 도 2로 나타낸 바와 같이, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120), 및 상기 연결부재(126, 128, 129)에 의해 한정된 공기 챔버(150)로부터 상기 하우징(110)의 상기 제2 관통공(112b)을 통해 공기를 배출하여 상기 공기 챔버(150)가 진공 상태가 되도록 한다. 상기 공기 챔버(150)가 진공 상태가 되면, 진공압에 의해 상기 캐리어(120)가 상기 하우징(110)의 하면에 밀착되게 된다.

상기 캐리어(120)가 상기 하우징(110)의 하면에 밀착하게 되면, 상기 캐리어(120)에 연결된 유지부재(140) 및 웨이퍼 척킹장치(130) 또한 상방으로 함께 이동한다. 이와 같은 상태에서, 상기 하우징(110)의 제1 관통공(112a)을 통해 상기 캐리어(120), 상기 척킹장치(130)의 상기 고정부재(138), 및 상기 척킹장치(130)의 척킹부재(134)에 부착된 상기 팽창부재(132)에 의해 한정되는 상기 공기 챔버(160)에 공기를 공급하여 상기 팽창부재(132)에 압력을 가한다. 따라서, 상기 팽창부재(132)는 상기 공기 챔버(160)에 공급되는 상기 공기의 압력에 의해 점점 팽창되며, 그에 따라 상기 척킹부재(134)가 하방으로 하강하게 된다. 이때, 상기 척킹부재(134)는, 그에 부착된 시트(136)가 상기 유지부재(140)의 바닥면과 동일 평면 상에 놓일 때까지 팽창시킨다.

상술한 바와 같이, 상기 척킹부재(134)가 하방으로 하강하면, 상기 캐리어(120)에 형성된 관통공(122b)에 장착되고, 상기 하우징(110)에 형성된 제3 관통공(112c)에 장착된 공기 도관과 활주가능하게 연결된 상기 공기도관과 상기 척킹부재(134)의 상기 제1 부재(134a) 중심에 장착된 공기 유동관(135)을 연결하는 급배기관(162)을 통해, 상기 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)와 제2 부재(134b) 사이에 형성된 공기 챔버(170)로부터 공기를 배출하면서, 웨이퍼 이송장치(도시않됨)에 의해 이송되는 웨이퍼(W)의 일면에 상기 척킹부재(134)의 제2 부재(134b)에 부착된 시트(136)를 밀착시킨다.

따라서, 상기 웨이퍼(W)가 상기 척킹부재(134)의 제2 부재(134b)에 부착된 시트(136)에 밀착되면, 상기 척킹장치(130)에 형성된 공기 챔버(170)가 진공상태가되며, 그에 따라 상기 웨이퍼(W)가 상기 시트(136)에 더욱 더 밀착되게 된다.

도 3은 상기 연마헤드(100)의 상기 척킹부재(134)가 웨이퍼(W)를 파지한 상태로 연마패드 상에 위치한 상태를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120) 사이, 상기 캐리어(120)와 상기 척킹부재(134) 사이, 그리고 상기 척킹부재(134)의 상기 제1 부재(134a)와 제2 부재(134b) 사이에 형성된 각각의 공기 챔버(150, 160 ,170)로부터 공기를 배출하여, 상기 공기 챔버(150, 160, 170)를 진공 상태로 유지한다. 따라서, 상기 척킹장치(130)의 상기 팽창부재(132)가 수축되어, 상기 척킹장치(130)는 상기 유지부재(140)의 하면 보다 위로 이동하게 된다.

상술한 바와 같은 상태에서, 도 4로 나타낸 바와 같이, 상기 캐리어(120)와 상기 척킹장치(130) 사이, 및 상기 척킹부재(134)의 제1 부재(134a)와 제2 부재(134b) 사이에 각각 형성된 상기 공기 챔버(160, 170)를 진공 상태로 유지하면서, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120) 사이에 형성된 상기 공기 챔버(160, 170)에 공기를 공급한다. 그 결과, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120) 사이에 형성된 상기 공기 챔버(160, 170)로 공급되는 공기의 압력에 의해 상기 캐리어(120)가 하방으로 이동하게 된다. 따라서, 상기 캐리어(120)가 하방으로 이동되면, 상기 캐리어(120)에 연결된 상기 유지부재(140)와 상기 척킹장치(130) 또한 상기 캐리어(120)와 함께 하방으로 이동하게 된다. 이때, 상기 유지부재(140)는 도 4로 나타낸 바와 같이 상기 연마패드의 상면과 접하게 된다. 그러나, 상기 척킹장치(130)는 상기 유지부재(140)의 하면 보다 높은 위치에 있기 때문에 상기 척킹장치(130)는 상기 연마패드의 상면과 이격된 상태로 있게 된다.

이어서, 도 5로 나타낸 바와 같이, 상기 하우징(110)과 상기 캐리어(120) 사이에 형성된 상기 공기 챔버(150)에 공기를 계속해서 공급하여, 상기 유지부재(140)가 상기 연마패드의 상면과 여전히 접해 있도록 하고, 또한 상기 척킹부재(134)의 제1 및 제2 부재(134a, 134b) 사이에 형성된 상기 공기 챔버(170)로부터 공기를 배출하여, 상기 공기 챔버(170)를 진공 상태로 유지하면서, 상기 캐리어(120)와 상기 척킹장치(130)의 팽창부재(132) 사이에 형성된 상기 공기 챔버(160)에 공기를 공급하여 상기 공기 챔버(160) 내의 압력을 높인다. 따라서, 상기 공기 챔버(160) 내의 압력이 높아짐에 따라, 상기 팽창부재(132)가 팽창하게 되고 상기 팽창부재(132)와 연결된 상기 척킹장치(130)가 하방으로 하강한다. 그 결과, 상기 척킹부재(134)에 의해 파지된 상기 웨이퍼(W)의 일면이 상기 연마패드의 상면과 접하게 된다. 계속해서 상기 캐리어(120)와 상기 척킹장치(130) 사이의 공기 챔버(160)의 압력을 높여, 상기 연마패드에 상기 웨이퍼(W)를 밀착시킨다.

상술하고 도 5로 나타낸 바와 같이, 상기 웨이퍼(W)를 상기 연마패드에 밀착시킨 상태에서, 상기 웨이퍼(W)와 상기 연마패드 사이에 슬러리를 공급하면서 상기 연마헤드(100)와 상기 연마패드를 서로에 대해 반대방향으로 회전시키켜 상기 웨이퍼(W)의 일면을 연마한다.

상술한 바와 같이 구성된 연마헤드에 있어서, 상기 웨이퍼는 상기 척킹부재에 형성된 상기 공기 챔버 내의 진공압에 의해 그 전체면이 상기 척킹부재에 균일하게 밀착되기 때문에, 상기 연마패드와도 균일하게 접하게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼의 중심부와 가장자리를 포함한 전체면이 균일하게 연마된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

공기 유로를 구비하며, 공기의 유동을 안내하기 위한 하우징;

상기 하우징에 연결되며, 연마패드에 의해 연마되는 웨이퍼를 지지하기 위한 캐리어;

상기 캐리어에 장착되며, 진공압을 이용하여 웨이퍼를 파지하기 위한 웨이퍼 척킹수단; 그리고

상기 캐리어의 가장자리를 따라 장착되며, 상기 웨이퍼 척킹수단을 안내하고 상기 웨이퍼 척킹수단에 의해 파지된 웨이퍼를 보호 유지하기 위한 유지수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 하우징은, 실축의 원형 단면을 가지며, 상기 캐리어를 안내하기 위한 본체부와 상기 본체부의 일단에서 반경방향 외측으로 연장되며,상기 캐리어가 공기압에 의해 상하 이동할 수 있도록 연결하기 위한 플랜지부를 포함하며, 상기 본체부는 그 중심에서 하방으로 연장되어 상기 캐리어를 안내하기 위한 연장부가 형성되며, 상기 플랜지부의 가장자리에는 다수의 관통공이 소정의 간격을 두고 그 가장자리를 따라 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 2 항에 있어서, 상기 하우징에는 적어도 3 개의 관통공이 형성되며, 제1관통공은 상기 본체부와 그 중심부에 형성된 상기 연장부를 관통하도록 형성되며, 제2 및 제3 관통공은 상기 본체부의 상기 제1 관통공을 중심으로 대칭되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 3 항에 있어서, 상기 제3 관통공에는 공기 공급원에서 공급되는 공기를 상기 척킹장치에 공급하고 배출하기 위한 공기 도관이 관통하여, 상기 하우징의 하면으로부터 하방으로 소정 길이 만큼 연장되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 2 항에 있어서, 상기 캐리어는, 그 중심부에 제1 관통공이 형성되며, 상기 제1 관통공으로부터 반경방향 외측으로 소정 거리 만큼 이격된 위치에 제2 관통공이 형성되며, 상기 캐리어의 하부 외주에는 반경방향 외측으로 소정 길이 만큼 연장되는 플랜지가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 5 항에 있어서, 상기 캐리어는, 상기 제1 관통공내로 상기 하우징의 상기 연장부가 삽입되도록 상기 하우징에 연결되어, 상기 하우징과의 사이에 공기 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 5 항에 있어서, 상기 캐리어의 상기 제2 관통공에는, 공기 도관이 삽입장착되며, 상기 공기 도관내로는 상기 하우징의 제3 관통공에 장착된 공기 도관이 활주가능하도록 삽입 연장되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 7 항에 있어서, 상기 캐리어는, 상기 하우징의 제2 관통공을 통해 상기 공기 챔버에 공급된 공기의 압력에 의해 하방으로 하강하며, 상기 하우징의 제2 관통공을 통해 상기 공기 챔버내의 공기를 배출하면 상기 챔버내의 진공압에 의해 상방으로 승강하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 5 항에 있어서, 상기 캐리어는, 상기 캐리어를 상기 하우징에 연결하기 위한 연결부재를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 9 항에 있어서, 상기 연결부재는, 원판 형상으로 중심부에 관통공이 형성되어 있는 내측 클램프, 내경이 상기 내측 클램프의 직경 보다 큰 환형의 외측 클램프, 및 소정의 폭을 갖는 환형의 탄성재 시트를 포함하며, 상기 탄성재 시트의 일단부는 상기 내측 클램프에 의해 상기 캐리어의 상면에 기밀을 유지하도록 고정되고, 타단부는 상기 외측 클램프에 의해 상기 하우징의 하면에 기밀을 유지하도록 고정되어, 상기 캐리어를 상기 하우징에 연결하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 5 항에 있어서, 상기 유지수단은, 내경이 상기 캐리어 플랜지의 직경 보다 작고, 외경은 상기 캐리어 플랜지의 직경 보다 크며, 소정의 폭과 높이를 갖는 환형 형상인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 11 항에 있어서, 상기 유지 수단은, 그 내주면에 소정의 각도로 배열된 다수의 긴 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 11 항에 있어서, 상기 유지 수단은, 그 상단부에 계단부가 형성되며, 상기 계단부의 직경은 상기 캐리어 플랜지의 직경 보다 크거나 같고, 그 높이는 상기 플랜지의 두께와 같은 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 척킹수단은, 팽창가능한 팽창부재, 상기 팽창부재의 하면에 부착되어 웨이퍼를 파지하기 위한 웨이퍼 척킹부재, 상기 웨이퍼 척킹부재의 하면에 부착되어 웨이퍼 배면의 손상을 방지하기 위한 시트, 그리고 상기 팽창부재를 상기 캐리어에 고정하기 위한 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 14 항에 있어서, 상기 팽창부재는, 탄성체인 고무 또는 합성 수지로 구성되는 원판인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 14 항에 있어서, 상기 웨이퍼 척킹부재는, 원판형상의 제1 부재와 상기 제1 부재의 하면에 부착되어 상기 제1 부재와의 사이에 공기 챔버를 형성하는 제2 부재를 포함하며, 상기 제1 부재의 중심부에는 관통공이 형성되어 있고, 그 관통공에는 공기 유동관이 장착되며, 상기 제2 부재의 하면에는 다수의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 시트는 원판형의 합성수지재 필름으로, 상기 시트에는 상기 제2 부재의 하면에 형성된 다수의 관통공에 대응하는 다수의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 제2 부재는 용접에 의해 상기 제1 부재에 부착되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 웨이퍼 척킹부재의 제1 부재는, 가장자리에서 외측방향으로 서로 소정의 간격을 두고 돌출되는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 12 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 웨이퍼 척킹수단은, 그 웨이퍼 척킹부재의 제1 부재에 형성된 돌출부가 상기 유지수단의 내주면에 형성된 긴 홈을 따라 이동함에 따라 상하로 이동하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 웨이퍼 척킹부재의 제1 부재에 장착된 상기 공기 유동관과 상기 캐리어를 관통 연장하는 상기 공기 도관을 연결하여, 공기가 상기 공기 도관을 통해 상기 제1 부재와 상기 제2 부재에 의해 한정된 공기챔버로 공급되고 배출되도록 연통시키기 위한 급배기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 연마헤드.