KR100492330B1 - 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하여 평탄화하기 위한 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로서, 그 주요 구성은 멤브레인 홀더부의 하부에 압력조정이 가능한 보상챔버를 형성하여, 상기 보상챔버의 내부 압력을 증가시킬 때, 멤브레인의 상부면과 멤브레인 홀더부의 하부 표면 사이에 형성되는 환상의 챔버가 서로 다른 내부 압력을 가질 수 있는 두 개의 챔버로 구분되도록 하는 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 의하여 본 발명은 연마 작업 중에 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 압력을 필요에 따라 가변시킬 수 있고, 또 각 챔버의 경계지역에서 웨이퍼에 가해지는 압력이 매끄러운 압력 분포를 가지도록 할 수 있으므로 다양한 웨이퍼의 프로파일 형상을 얻을 수 있다.

Description

화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드{Carrier Head for Chemical Mechanical Polishing Apparatus}

본 발명은 반도체 웨이퍼를 연마하여 평탄화하기 위한 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드에 관한 것이다.

화학기계적 연마장치는 반도체 웨이퍼 제조과정중의 마스킹, 에칭, 배선 공정 등의 반복으로 인하여 발생되는 웨이퍼 표면의 불균일함을 줄이기 위해 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위한 장치이다.

최근의 화학기계적 연마장치는 웨이퍼의 표면에 단순히 균일한 압력을 가하여 다양한 웨이퍼의 막질을 전체적으로 고르게 연마하는 초보적인 기술 단계를 넘어서 웨이퍼의 표면에 국부적으로 상이한 압력을 가하여 웨이퍼의 프로파일 형상을 다양하게 가공하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.

위와 같은 캐리어 헤드의 일 실시예로서 도 1에서 보는 미국특허 US 6,422,927호는 적어도 일부분이 제1 플렉시블 멤브레인(151)에 의해서 경계를 이루는 제1가압챔버(161)와, 상기 제1챔버(161)에 하향력을 가하기 위하여 위치된 제2가압챔버(162)를 포함하여 구성되는 캐리어헤드에 있어서, 상기 제1챔버(161)의 제1압력은 가압면적(loading area)에서 웨이퍼에 가해지는 압력을 조절하고, 상기 제2챔버(162)의 제2압력은 가압면적(loading area)의 크기를 조절토록 하여 화학기계적 연마장치에서 발생하는 에지효과 또는 중심저하 효과를 해결하고자 한다.

또, 미국특허 US 6,390,905호는 도 2에서 보는 바와 같이 캐리어 하우징(120)의 하부에 웹다이아프램(100)에 의해서 한정되는 다수의 캐리어 챔버(131~134)를 형성하고, 웹 다이아프램(100)의 하부에는 동심의 격벽(barrier)을 이루는 다수의 리브(101~104)에 의해서 다수의 웹 챔버(111~114)를 형성하여 각각의 유체연통로를 통한 각 챔버 별로 상이한 압력을 가하도록 하고 있다.

또한, 미국특허공개 US 2002/0115397호는 도 3에서 보는 바와 같이 환상의 멤브레인(M)이 서브캐리어플레이트(145)의 외측표면의 주변 모서리부에 결합되는 외측모서리부와, 서브캐리어플레이트(145)의 외측표면의 중심부분에 결합된 내측모서리부를 구비토록 하고, 상기 환상의 멤브레인(M)과 서브캐리어플레이트(145)의 외측표면 사이에 환상의 챔버(150)를 형성하여 상기 챔버(150)의 팽창에 의해서 웨이퍼 표면의 미리 정해진 영역이 연마패드에 눌려지도록 하는 기술을 개시하고 있다.

위와 같은 구조로 이루어지는 캐리어 헤드는 웨이퍼의 뒷면에 각 구역별로 상이한 압력이 가해지도록 하여 웨이퍼의 프로파일 형상을 다양하게 구현토록 할 수는 있으나, 웨이퍼의 뒷면에 상이한 압력을 가하기 위한 영역이 사전에 설정되어 있어 필요에 따라 각 영역을 나누거나 통합할 수는 없으므로 다양한 웨이퍼의 프로파일 형상을 구현하기에는 한계가 있고, 또 각 챔버의 경계지역에서는 웨이퍼에 가해지는 압력이 불연속적으로 나타나게 되어 그 경계 부분에서는 웨이퍼에 미치는 압력이 매끄러운 압력 분포를 가질 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 다음과 같은 목적을 갖는다.

본 발명의 주목적은 연마 작업 중에 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 압력을 필요에 따라 가변시킬 수 있고, 또 각 챔버의 경계지역에서 웨이퍼에 가해지는 압력이 매끄러운 압력 분포를 가지도록 하여 다양한 웨이퍼의 프로파일 형상을 얻을 수 있는 캐리어 헤드를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼의 로딩시나 언로딩시에 웨이퍼를 안정적으로 로딩하거나 언로딩할 수 있는 캐리어 헤드를 제공하는데 있다.

본 발명은 전술한 여러 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 캐리어 헤드는 캐리어 구동샤프트에 의하여 구동되는 캐리어 하우징과; 상기 캐리어 하우징의 하부 중앙에 고정 설치되는 홀더 하우징과; 상기 캐리어 하우징의 하부에 배치되어 상기 홀더 하우징의 내벽을 따라 수직으로 승하강 가능하며, 그 하부에는 환상의 멤브레인을 장착하기 위한 멤브레인 홀더부와; 웨이퍼를 장착하기 위한 웨이퍼 장착면을 가지며, 그 외측의 에지부는 멤브레인 홀더부의 주변 외측부에 결합되고, 내측의 에지부는 멤브레인 홀더부의 중심부에 결합되며, 멤브레인 홀더부의 하부 표면 하부에 내부의 압력이 조정가능한 환상의 챔버를 한정하는 환상의 멤브레인을 포함하여 구성되는 캐리어 헤드에 있어서, 상기 멤브레인 홀더부는 그 하부에 압력조정이 가능한 보상챔버가 형성되며, 상기 보상챔버는 그 내부의 압력을 증가시킬 때, 상기 환상의 챔버가 서로 다른 내부 압력을 가질 수 있는 두 개의 챔버로 구분되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 단면도로서, 본 발명의 캐리어 헤드는 도 4에 도시된 바와 같이, 캐리어 하우징(10), 홀더 하우징(15), 멤브레인 홀더부(20), 멤브레인(M), 리테이너링조립체(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 캐리어 하우징(10)은 그 상면 중앙 부분에 형성된 캐리어 홀더(11)에 의해서 도시되지 않은 캐리어 구동샤프트에 고정되며, 연마 패드의 표면에 실질적으로 수직한 회전 축선을 중심으로 회전한다. 상기 캐리어 하우징(10)은 일반적으로 원형으로 구성되는데, 이는 연마될 웨이퍼의 형상이 원형인 것에 대응하며, 그 내부에는 중심부에 수직보어가 형성되고, 또 5개의 부가적 공기통로(도 4에는 4개의 통로가 도시되어 있다)가 캐리어 헤드의 공기작용 제어를 위하여 형성되어 있다.

상기 홀더 하우징(15)은 캐리어 하우징(10)의 하부 중심에 설치된 링형 바디로서, 그 내벽을 따라 후술하는 멤브레인 홀더부(20)가 공압의 작용에 의해서 수직으로 승하강 가능하며, 멤브레인 홀더부(20)가 자중에 의해 아래로 처지게 될 때, 멤브레인 홀더부(20)의 최저위치를 결정케 하도록 내벽의 일 지점에 단턱이 형성되어 있다. 또한, 상기 홀더 하우징(15)은 캐리어 하우징(10)으로부터 멤브레인 홀더부(20)로 공기가 연통될 수 있는 3개의 공기통로를 그 내부에 제공한다.

상기 멤브레인 홀더부(20)는 캐리어 하우징(10) 아래에 배치되며, 그 하부면에 웨이퍼(W)를 지지하고, 또 후술하는 제1챔버(61)와 제2챔버(62) 내의 압력을 변동함에 의해서 수직으로 이동가능한 조립체로서, 멤브레인 홀더샤프트(31)와, 멤브레인 외측홀더부(21)와, 멤브레인 내측홀더부(30)를 포함한다.

상기 멤브레인 홀더샤프트(31)는 홀더 하우징(15)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워져 멤브레인 홀더부(20)의 하부 바닥면이 연마패드의 표면과 실질적으로 평행을 유지하도록 하고, 그 상부에는 멤브레인 홀더샤프트(31)가 수직 하부방향으로 이동을 제한할 수 있는 스톱퍼(32)가 고정되어 있으며, 또 그 외벽의 일부는 압력조정이 가능한 제1챔버(61)와 제2챔버(62)를 한정한다.

상기 멤브레인 외측홀더부(21)는 멤브레인 홀더샤프트(31)의 하부면에 부착되어 웨이퍼(W)의 장착면을 제공하는 멤브레인(M)의 외측부분을 지지하며, 내측 클램프링(25)과, 외측 클램프링(23)과, 외부 플레이트(22)와, 내부 플레이트(24)를 포함한다.

상기 내측 클램프링(25)은 멤브레인 홀더샤프트(31)의 하부면에 고정 부착되며, 그 하부면은 후술하는 보상챔버(63)를 한정하기 위한 홈부를 가지고, 또 그 내부에는 상기 보상챔버(63)와 후술하는 외측챔버(62b)및 내측챔버(62a)에 압력을 조정하기 위한 3 개의 공기통로가 형성되어 있다.

상기 외측 클램프링(23)은 내측 클램프링(25)의 외측면에 고정부착되며, 그 하부면은 멤브레인(M)의 외측 에지부를 견고하게 고정하여 실링 역할을 하고, 또 그 내부에는 외측챔버(62b)와 연통되는 공기통로가 형성되어 있다.

상기 외부 플레이트(22)는 외측 클램프링(23)의 하부에 고정부착되어 그 상부면은 웨이퍼(W) 장착면을 제공하는 멤브레인(M)의 외측 에지부를 견고하게 고정하고, 또 그 내부에는 후술하는 외측챔버(62b)에 압력을 조정하기 위한 공기통로가 형성되어 있다. 또한 상기 외부 플레이트(22)는 그 하부면에 멤브레인 패드(27)를 부착하여 웨이퍼(W)가 외부 플레이트(22)에 흡착될 때에 웨이퍼(W)가 손상받는 것을 방지토록 한다.

상기 내부 플레이트(24)는 내측 클램프링(25)의 하부에 고정부착되며, 후술하는 기능링(52)이 설치될 수 있도록 외부 플레이트(22)와 일정 거리 이격되어 있고, 또 그 내부에는 제2챔버(62)와 연통되는 공기통로가 형성되어 있다.

상기 내측 클램프링(25)의 하부면에 형성한 홈부는 플렉서(51)에 의해서 시일링되어 가압가능한 보상챔버(63)를 형성하며, 상기 보상챔버(63)를 형성하기 위한 플렉서(51)의 외측 에지는 내측 클램프링(25)과 외부 플레이트(22) 사이에서 고정되고, 내측 에지는 내측 클램프링(25)과 내부 플레이트(24) 사이에서 고정된다. 상기 플렉서의 하부에는 고정판을 매개로 하여 기능링이 부착되며, 상기 기능링은 보상챔버 내부의 압력이 증가될 때, 그 하부에 위치하는 멤브레인과 접촉되어 멤브레인(M)의 상부면과 멤브레인 외측홀더부(21)의 하부표면 사이에서 한정되는 제2챔버(62)를 2 개의 챔버 즉, 내측챔버(62a)와 외측챔버(62b)로 구분토록 할 수가 있다.

상기 기능링은 이웃하는 내측챔버(62a)와 외측챔버(62b) 사이의 누설을 방지하고, 또 양측 챔버 사이의 급격한 연마 형상의 변화를 매끄럽게 하는데 기여한다. 따라서, 상기 기능링의 하단부의 형상 및 재질은 위의 누설과 연마 형상의 변화에 영향을 미치게 된다.

도 9a는 플렉서에 부착된 기능링의 하단부의 단면 형상이 외향으로 돌출된 돌기부를 가지고, 상기 돌기부 사이에는 오목부가 형성된 모양을 보여주고 있다. 위와 같은 형상은 기능링의 접촉부의 면적이 적으면서도 양호한 시일링을 얻을 수 있으며 적은 접촉부로 인하여 기능링에 의한 연마에 대한 영향을 최소화 할 수 있다.

도 9b는 플렉서에 부착된 기능링의 하단부의 단면 형상이 하단부가 외향으로 연장된 수평 돌출부를 가지고 있고 기능링의 몸체부와 수평 돌출부가 연결되는 부분의 상면이 포물선 형상을 이루고 있으며, 상기 돌출부의 하면은 평평하게 이루어져 있다. 위와 같은 형상은 기능링 위쪽 측면부의 라운딩된 부분에 의하여 보다 넓은 유체 접촉면을 가지게 하여 기능링 접촉부에 의한 연마 형상의 변화를 완만하게 이루어지게 한다.

도 9c는 플렉서에 부착된 기능링의 하단부에 적어도 하나 이상의 환형의 돌출부가 형성되어 있다. 위와 같은 형상은 돌출부에 의한 양호한 시일링이 가능하고, 보상 챔버(63)의 상면에 가해지는 압력을 충실하게 기능링 접촉부에 가하도록 하여 연마 형상의 변화를 용이하게 조절 가능하게 한다.

도 9d는 플렉서에 부착된 기능링의 하단부에 도브테일 형상의 홈, 즉 홈의 내벽면이 비둘기의 꼬리처럼 경사진 형상으로 되어 있는 요홈이 형성되어 있고, 상기 요홈에는 탄성체의 오링(54)이 삽입되어 있는 구조이다. 위와 같은 구조로 보다 효율적인 시일링이 가능하고 탄성체의 접촉으로 인하여 기능링의 접촉부에 의한 연마 형상이 완만하게 이루어지게 한다.

상기와 같은 구조로 이루어지는 기능링은 사용되고 있는 고청정 및 내부식성이 요구되는 환경을 고려하여 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸(SUS 316L)이나 티탄 및 티탄계 합금, 피이크(PEEK) 혹은 테프론 등의 엔지니어링 플라스틱이 사용될 수 있으며 상기 제2 챔버(62)내에 설치되는 기능링의 수는 웨이퍼의 사이즈나 요구되는 연마 형상의 복잡도를 고려하여 적어도 하나 이상이 설치될 수 있다(도4 ~ 도8은 하나의 기능링이 설치된 실시예를 보여주고 있다).

상기 멤브레인 내측홀더부(30)는 멤브레인 홀더샤프트(31)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워져 웨이퍼(W)의 장착면을 제공하는 멤브레인(M)의 내측부분을 지지하며, 멤브레인 클램프 하우징(33)과, 유지링(34)과, 승강로드(35)를 포함한다.

상기 멤브레인 클램프 하우징(33)은 멤브레인 홀더샤프트(31)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워지고, 그 하부 바닥면에는 멤브레인(M)의 내측 에지부를 삽입하여 고정할 수 있는 구멍이 형성되어 있으며, 상부에는 멤브레인 클램프 하우징(33)의 수직방향으로의 이동을 제한할 수 있는 외향으로 돌출되는 플랜지가 형성되어 있다. 또한, 상기 멤브레인 클램프 하우징(33)은 그 내벽면이 제1챔버(61)의 일부를 한정하고, 하부 바닥면은 제2챔버(62)의 일부를 한정한다.

상기 유지링(34)은 환형의 상부 플랜지를 가지는 링으로서, 멤브레인 클램프 하우징(33)의 바닥면에 형성된 구멍에 삽입되어 멤브레인(M)의 내측 에지부를 고정하면서 멤브레인(M)의 중앙부분 통로가 막히지 않도록 형상을 일정하게 유지토록 한다.

상기 승강로드(35)에서 그 하부의 외주면은 멤브레인 클램프 하우징(33)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워지고, 그 상부의 외주면은 캐리어홀더(11) 내에 형성한 수직보어를 따라 승강 가능하도록 끼워지며, 그 중앙 축선을 따라 수직 통로가 형성되어, 상기 통로는 유지링(34) 및 멤브레인(M)의 중앙에 형성한 구멍과 연통되며, 그 외벽면은 제1챔버(61)의 일부를 한정한다.

상기 제1챔버(61)는 멤브레인 홀더부(20)에 부하 즉, 하향압력 또는 진공압력을 인가하도록 캐리어 하우징(10)과 멤브레인 홀더부(20)에 의해서 한정되는 공간에 배치된다.

상기 멤브레인(M)은 고강도 실리콘 고무와 같은 가요성 및 탄성재료로 구성된 원형 시이트로서, 기판을 장착하기 위한 표면을 제공하며, 그 외측 에지부는 외측 클램프링(23)과 외부 플레이트(22) 사이에서 고정되며, 내측 에지부는 멤브레인 클램프 하우징(33)과 유지링(34) 사이에서 고정된다. 멤브레인(M)의 상부표면과 멤브레인 외측홀더부(21)의 하부면 사이에서 한정되는 체적은 가압가능한 제2챔버(62)를 한정하며, 멤브레인 외측홀더부(21)의 내부에는 상기 제2챔버(62) 내의 압력을 제어하기 위하여 외부의 펌프와 연결 가능한 다수의 공기통로가 형성된다.

상기 리테이너링조립체(40)는 캐리어 하우징(10)의 하부 바깥 쪽에 형성된 환상의 홈부에 리테이너링챔버(64)가 형성되도록 끼워지며, 리테이너링(42)과 리테이너링홀더(41)로 구성되어 있다.

상기 리테이너링(42)은 경질의 플라스틱 혹은 세라믹재료로 제조되며, 평평한 바닥면을 갖는 환형의 형상으로 구성된다. 상기 리테이너링(42)은 연마패드와 접촉되어 웨이퍼(W)의 수용면인 멤브레인 홀더부(20)로부터 웨이퍼(W)가 이탈되지 않도록 웨이퍼(W)의 수용공간을 형성한다.

상기 리테이너링챔버(64)는 리테이너링조립체(40)에 부하, 예를 들어 하향압력을 인가하도록 캐리어 하우징(10)과 리테이너링홀더(41)에 의해서 한정되는 공간에 형성되며, 리테이너링챔버(64)내의 압력을 가변함에 의해서 멤브레인 홀더부(20)의 상하이동과는 별도로 리테이너링조립체(40)의 수직위치를 제어할 수 있다.

상기 리테이너링조립체(40)는 클램프링(26)으로 고정되는 플렉서(43)에 의해서 멤브레인 외측홀더부(21)와 연결되며, 상기 리테이너링조립체(40)의 수직 하방으로의 이동을 제한한다.

위에서 설명한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 캐리어헤드의 동작에 대하여 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 단면도로서 캐리어 헤드의 각 구성부에 어떠한 압력도 작용하지 않는 상태를 도시한 것이다.

도 4에서 캐리어 헤드의 각 구성부는 자중에 의해서 아래로 처져 있는데, 멤브레인 홀더부(20)는 홀더 하우징(15)의 단턱과 멤브레인 홀더샤프트(31)의 스톱퍼(32)에 의해서 최저위치가 결정되며, 리테이너링(42)은 리테이너링홀더(41)와 클램프링(26)의 상부면에 의해 최저위치가 결정된다.

위와 같은 상태에서 캐리어 헤드가 웨이퍼를 흡착하기 위해서는 도 5에 도시한 바와 같이 먼저 웨이퍼(W)가 멤브레인(M)에 안정적으로 접근할 수 있도록 챔버(64)에 진공압력을 가하면 리테이너링(42)이 수직 상승하게 되고, 또 멤브레인(M)의 내측 통로를 통해서 진공 압력을 가하면 웨이퍼(W)가 멤브레인(M)에 흡착되게 되는데, 이때, 보상챔버(63) 내에 압력을 증가시키면 기능링(52)이 멤브레인(M)을 눌러주게 되면서 그에 따라 기능링(52)이 접촉하게 되는 멤브레인(M) 안쪽이 하나의 직접챔버를 형성하게 되고, 따라서 웨이퍼(W)에 진공압력이 작용하는 공간이 넓게 확보하게 되어 더욱 더 안정적인 웨이퍼 로딩이 가능하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 캐리어 헤드에 웨이퍼가 흡착되어 웨이퍼가 연마되는 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것으로서, 도 6에서 캐리어 헤드에 흡착된 웨이퍼(W)는 리테이너링(42)과 동일한 기준면에 위치하게 된다. 위와 같은 상태에서 연마에 필요한 슬러리를 도시되지 않은 슬러리 공급원으로부터 공급받으면서 웨이퍼(W)가 연마패드에 접촉하여 연마가 이루어지게 되며, 연마 중에는 멤브레인의 중앙에 형성한 구멍을 통하여 웨이퍼의 중심으로 제1압력을 직접 가하고, 또 제2챔버(62)에도 제2압력을 가하여 웨이퍼(W)의 뒷면에 가해지는 압력이 서로 다른 수직하향력이 되도록 연마함으로써 사용자가 원하는 대로 웨이퍼의 프로파일 형상을 구현할 수 있다. 이때, 리테이너링(42)은 리테이너링챔버(64) 내부에 압력유체가 공급되면서 압력이 상승하게 되므로 하강하게 되어 웨이퍼(W)가 멤브레인 홀더부(21)의 외부로 탈락하는 것을 방지하게 된다.

이와는 별도로 좀더 세밀한 웨이퍼 프로파일 형상을 얻기 위하여 보상챔버(63)를 사용할 수가 있다. 이러한 경우에는 도 7에서 보는 바와 같이 보상챔버(63) 내의 압력이 증가되어 플렉서(51) 하부의 기능링(52)이 멤브레인(M)에 접촉하게 되고, 따라서 제2챔버(62)를 두개의 챔버 즉, 외측챔버(62b)와 내측챔버(62a)로 나누게 된다. 이러한 상태에서 외측챔버(62b)와 내측챔버(62a)에 가해지는 압력을 서로 다르게 조정하게 되면 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 압력은 웨이퍼의 중앙부와, 상기 중앙부를 둘러싸는 제1부분과, 상기 제1부분을 둘러싸는 제2부분으로 세분해서 나누어 지게 되므로 사용자가 원하는 웨이퍼의 프로파일 형상을 좀더 세밀하게 구현할 수 있다. 또한 상기 보상챔버(63)에 압력이 가해지면 외측챔버(62b)와 내측챔버(62a)의 경계를 이루는 부분에 기능링(52)이 닿게 되고, 이로 인해서 두 챔버 사이의 멤브레인 압력분포를 매끄럽게 하는 기능을 한다.

한편, 홀더 하우징(15)의 하부에 환상의 스페이서(16)를 설치하게 되면, 스페이서(16)의 두께에 따라서 멤브레인(M)의 상부표면과 외부 플레이트(22) 또는 내부 플레이트(24) 사이의 간격 즉, 제2챔버(62)의 높이가 조정되게 되며, 그에 따라 멤브레인(M)의 외곽부는 제2챔버(62)의 높이에 따라서 미소하게나마 곡선을 이루는 양을 달리하게 되며, 따라서, 멤브레인(M)의 외곽부와 웨이퍼(W)의 에지 부분이 닿는 면적이 변화하게 되어 웨이퍼 에지 부분의 연마량을 조정할 수 있다.

상기와 같이 하여 웨이퍼의 연마작업이 완료되면, 웨이퍼를 다시 로딩 디바이스에 안착시키기 위하여 멤브레인(M)의 내측 통로를 통해서 진공 압력을 가하면 웨이퍼(W)가 멤브레인(M)에 다시 흡착되게 되는데, 이때, 보상챔버(63) 내에 압력을 증가시키면 기능링(52)이 멤브레인(M)을 눌러주게 되면서 그에 따라 기능링(52)이 접촉하게 되는 멤브레인(M) 안쪽이 하나의 직접챔버를 형성하게 되고, 따라서 웨이퍼(W)에 진공압력이 작용하는 공간이 넓게 확보하게 되어 더욱 더 안정적인 웨이퍼 로딩이 가능하게 된다.

위와 같은 상태에서 캐리어 헤드에 부착되어 있는 웨이퍼(W)를 다시 로딩디바이스에 언로딩 하기 위해서는 도8에서 보는 바와 같이 웨이퍼(W)가 멤브레인(M)에 안정적으로 접근할 수 있도록 챔버에 진공압력을 가하여 리테이너링이 상승하게 하고, 이러한 상태에서 각 외측챔버(62b)와 내측챔버(62a)내에 진공의 압력을 가하는 상태에서 멤브레인(M)의 내측 통로를 통하여 압력을 가하게 되면, 웨이퍼(W)가 멤브레인(M)으로부터 이탈되게 되는데, 이때에 보상챔버(63) 내에 압력을 증가시키면 기능링(52)이 멤브레인(M)을 눌러주게 되므로 웨이퍼(W)가 붙어 있는 멤브레인(M)으로부터 표면장력이 감소하는 효과를 얻을 수가 있으므로, 더욱 더 쉽게 웨이퍼(W)를 멤브레인(M)으로부터 이탈시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드는 연마 작업 중에 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 압력을 필요에 따라 가변시킬 수 있고, 또 각 챔버의 경계지역에서 웨이퍼에 가해지는 압력이 매끄러운 압력 분포를 가지도록 할 수 있으므로 다양한 웨이퍼의 프로파일 형상을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드는 웨이퍼의 로딩시나 언로딩시에 간접 챔버를 2 개의 챔버를 나누도록 하는 보상챔버에 의해서 웨이퍼의 흡착 불량이나 흡착실패의 가능성을 줄일 수가 있고, 또 웨이퍼의 이동과정 또는 웨이퍼의 탈착과정 중에 캐리어 헤드로부터 웨이퍼가 떨어져 웨이퍼 패턴 상의 스크레칭 혹은 웨이퍼의 파손으로 이어지는 것을 사전에 방지할 수가 있으므로 웨이퍼를 안정적으로 로딩하거나 언로딩할 수 있다.

도 1은 종래의 캐리어 헤드에 대한 단면도이고,

도 2는 종래의 다른 캐리어 헤드에 대한 단면도이며,

도 3은 종래의 또 다른 캐리어 헤드에 대한 단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 단면도로서 무부하 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것이며,

도 5는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 로딩 상태를 도시한 것이며,

도 6은 본 발명에 따른 캐리어 헤드에서 웨이퍼를 연마하는 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것이며,

도 7은 본 발명에 따른 캐리어 헤드에서 보상챔버를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 상태의 캐리어 헤드를 도시한 것이며,

도 8은 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 언로딩 상태를 도시한 것이며,

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 캐리어 헤드의 기능링의 다양한 실시예를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 캐리어 하우징 15 : 홀더 하우징

20 : 멤브레인 홀더부 21 : 멤브레인 외측홀더부

30 : 멤브레인 내측홀더부 31: 멤브레인 홀더샤프트

34 : 유지링 51 : 플렉서

52 : 기능링 63 : 보상챔버

Claims (10)

1. 캐리어 구동샤프트에 의하여 구동되는 캐리어 하우징(10)과;

   상기 캐리어 하우징(10)의 하부 중앙에 고정 설치되는 홀더 하우징(15)과;

   상기 캐리어 하우징(10)의 하부에 배치되어 상기 홀더 하우징(15)의 내벽을 따라 수직으로 승하강 가능하며, 그 하부에는 환상의 멤브레인(M)을 장착하기 위한 멤브레인 홀더부(20)와;

   웨이퍼(W)를 장착하기 위한 웨이퍼 장착면을 가지며, 그 외측의 에지부는 멤브레인 홀더부(20)의 주변 외측부에 결합되고, 내측의 에지부는 멤브레인 홀더부(20)의 중심부에 결합되며, 멤브레인 홀더부(20)의 하부 표면 하부에 내부의 압력이 조정가능한 환상의 챔버(62)를 한정하는 환상의 멤브레인(M)을 포함하여 구성되는 캐리어 헤드에 있어서,

   상기 멤브레인 홀더부(20)는 그 하부에 압력조정이 가능한 적어도 하나 이상의 보상챔버(63)가 형성되며, 상기 보상챔버(63)는 그 내부의 압력을 증가시킬 때, 상기 환상의 챔버(62)가 서로 다른 내부 압력을 가질 수 있는 두 개의 챔버(62a, 62b)로 구분되도록 하는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 홀더부(20)는 홀더 하우징(15)의 내벽을 따라 수직으로 승하강 가능한 멤브레인 홀더샤프트(31)와, 상기 멤브레인 홀더샤프트(31)의 하부면에 부착되어 멤브레인(M)의 외측부분을 지지하고 또 그 일측에 형성한 홈부를 시일링하여 한정되는 가압 가능한 보상챔버(63)를 구비하는 멤브레인 외측홀더부(21)와, 상기 멤브레인 홀더샤프트(31)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워져 멤브레인(M)의 내측부분을 지지하는 멤브레인 내측홀더부(30)로 구성되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
3. 제1항에 있어서, 상기 보상챔버(63)는 플렉서(51)에 의해서 시일링되며, 상기 플렉서(51)는 보상챔버(63) 내부의 압력이 증가될 때, 상기 환상의 챔버(62)를 2 개의 챔버(62a, 62b)로 구분토록 하는 기능링(52)이 부착되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
4. 제3항에 있어서, 상기 기능링(52)은 하단부의 단면 형상이 외향으로 돌출된 돌기부를 가지고, 상기 돌기부 사이에는 오목부가 형성된 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
5. 제3항에 있어서, 상기 기능링(52)은 하단부가 외향으로 연장된 수평 돌출부를 가지고 있고, 기능링의 몸체부와 수평 돌출부가 연결되는 부분의 상면이 포물선 형상을 이루고 있으며, 상기 돌출부의 하면은 평평하게 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
6. 제3항에 있어서, 상기 기능링(52)은 하단부에 적어도 하나 이상의 환형의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
7. 제3항에 있어서, 상기 기능링(52)은 하단부에 도브테일 형상의 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에는 탄성체의 오링(54)이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
8. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인 외측홀더부(21)는,

   멤브레인 홀더샤프트(31)의 하부에 고정 부착되는 내측 클램프링(25)의 외측면에 고정부착되는 외측 클램프링(23)과, 상기 외측 클램프링(23)의 하부에 고정부착되는 외부 플레이트(22)를 포함하여 구성되고,

   상기 외측 클램프링(23)의 하부면과 상기 외부 플레이트(22)의 상부면 사이에 멤브레인(M)의 외측 에지부가 고정되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
9. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인 내측홀더부(30)는,

   멤브레인 홀더샤프트(31)의 내벽면에 승강 가능하도록 끼워지면서 그 하부 바닥면에는 멤브레인(M)의 내측 에지부가 삽입될 수 있는 구멍이 형성된 멤브레인 클램프 하우징(33)과, 상기 멤브레인 클램프 하우징(33)의 내측에 위치하여 캐리어홀더(11) 내에 형성한 수직보어를 따라 승강 가능하도록 끼워지는 승강로드(35)의 하부에 위치하고 그 몸체의 일부는 멤브레인(M)의 중앙부에 형성한 구멍에 끼워지는 유지링(34)을 포함하여 구성이 되고,

   상기 멤브레인 클램프 하우징(33)과 상기 유지링(34) 사이에 멤브레인(M)의 내측 에지부가 고정되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.
10. 제1항에 있어서, 상기 홀더 하우징(15)은 그 하부에 환상의 스페이서(16)가 설치되는 것을 특징으로 하는 캐리어 헤드.