KR100513573B1 - 화학 기계식 연마 시스템용의, 가요성 부재를 갖는 캐리어 헤드 - Google Patents

화학 기계식 연마 시스템용의, 가요성 부재를 갖는 캐리어 헤드 Download PDF

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KR100513573B1
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Abstract

제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하기 위해 캐리어 기저부에 연결된 가요성 부재를 구비한 캐리어 헤드가 기술되어 있다. 상기 가요성 부재의 하부면은 기판 수용면에 상기 제 1 챔버와 결합된 내곽부, 상기 제 2 챔버와 결합되고 상기 내곽부를 둘러싼 환형의 중간부, 및 상기 제 3 챔버와 결합되고 상기 중간부를 둘러싼 환형의 외곽부를 제공한다. 상기 외곽부의 폭은 상기 중간부의 폭보다 좁다. 캐리어 헤드는 또한 구동 샤프트에 연결된 플랜지, 및 상기 플랜지를 상기 캐리어 기저부에 피봇 연결시키는 짐벌을 포함한다.

Description

화학 기계식 연마 시스템용의, 가요성 부재를 갖는 캐리어 헤드{A CARRIER HEAD WITH A FLEXIBLE MEMBER FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM}
본 발명은 기판의 화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP)에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면 화학 기계식 연마 시스템용 캐리어 헤드에 관한 것이다.
집적 회로는 일반적으로 도체, 반도체 또는 절연층을 연속 증착함으로써 기판, 특히 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 각 층이 증착된 이후에, 층은 회로 특성이 발생되도록 에칭된다. 일련의 층들이 연속적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외부 또는 최상층 표면, 즉 기판의 노출면은 점차 비평면화된다. 이와 같이 비평면인 외부면은 집적 회로 제조자에게 문제가 된다. 기판 외부면이 평면이 아니면, 그 위에 놓이는 포토레지스트 층도 평면이 아니다. 포토레지스트 층은 일반적으로 포토레지스트 상에 광 화상을 집중시키는 포토리소그래피 장치(photolithographic devices)에 의해 패턴화된다. 기판의 외부면이 너무 울퉁불퉁하면, 외부면의 피크와 골 사이의 최대 높이 차이는 화상 장치의 포커스 깊이를 초과할 것이며, 기판 외부면에 광 화상을 적절하게 집중시킬 수 없다.
포커스 깊이가 개선된 새로운 포토리소그래피 장치를 설계하는 것은 상당히 비싼 작업이다. 또 집적 회로 내에 이용되는 최소배선폭이 더 작아짐에 따라, 보다 단거리의 광 파장이 이용되어야 하며, 이로 인해 이용 가능한 포커스 깊이는 더욱 축소된다.
따라서 실질적인 평면 층 표면을 제공하기 위해 기판 표면을 주기적으로 평탄하게 할 필요가 있다.
화학 기계식 연마(CMP)는 평탄화의 한가지 방법이다. 이러한 평탄화 방법에서는 기판이 캐리어 또는 연마 헤드에 장착되어야 한다. 기판의 노출면은 회전하는 연마 패드에 마주하여 위치된다. 캐리어는 연마 패드에 대해 기판을 압축시키기 위해 기판 상에 제어 가능한 하중, 즉 압력을 제공한다. 또 캐리어는 기판과 연마 패드 사이에서 추가의 이동을 제공하도록 회전한다. 연마제 및 적어도 하나의 화학 반응제를 포함하는 연마 슬러리는 연마 패드 상에 분포되어 패드와 기판 사이 계면에서 연마 화학 용액을 제공한다.
CMP 공정은 상당히 복잡하며, 단순 습식 샌딩(wet sanding)과는 다르다. CMP 공정에서, 슬러리 내의 반응제는 반응 사이트를 형성하기 위해 기판의 외부면과 반응한다. 반응 장소를 갖는 연마 패드와 연마 입자의 상호 작용에 의해 연마가 이루어진다.
효과적인 CMP 공정은 연마 속도가 고속이며, 마무리되고(소규모의 거칠기 없음) 편평한(대규모의 형상 변화가 없음) 기판 표면을 만든다. 연마 속도, 마무리 정도 및 편평도는 패드 및 슬러리 조합, 기판과 패드 사이의 상대 속도, 및 패드에 대해 기판을 누르는 힘에 의해 결정된다. 편평도 및 마무리 정도가 불충분하면 기판은 결함이 있게 되므로, 연마 패드와 슬러리의 조합은 필요한 마무리 정도 및 편평도에 의해 선택된다. 이러한 조건 하에서, 연마 속도에 의해 연마 장치의 최대 작업처리량이 정해진다.
연마 속도는 기판이 패드에 대해 압축되는 힘에 따라 달라진다. 특히, 이러한 힘이 커질수록, 연마 속도도 더 빨라진다. 캐리어 헤드가 불균일한 하중을 가한다면, 즉 캐리어 헤드가 기판의 한 영역에서만 더욱 큰 힘을 받게 된다면, 고압의 영역은 저압의 영역보다 더 신속하게 연마될 것이다. 따라서 하중이 불균일하면 기판은 불균일하게 연마될 것이다.
CMP 공정의 한 가지 문제는 종종 기판의 엣지가 기판 중심과는 다른 속도(일반적으로 더 빠르고, 가끔씩 더 느린)로 연마되는 것이다. "엣지 효과(edge effect)"로 불리는 이 문제는 하중이 기판에 균일하게 적용되는 경우에도 발생한다. 엣지 효과는 기판의 주변부, 예를 들어 기판의 최외각 5 내지 10 mm에서 일반적으로 발생한다. 엣지 효과는 기판의 전체 편평도를 감소시키고, 기판의 주변부를 집적 회로 내에서 이용하기에 부적합하게 하며, 수율을 감소시킨다.
따라서, 연마 작업처리량을 최적화하고 소정의 편평도 및 마무리 정도를 제공하는 CMP 장치가 필요하다. 특히 CMP 장치는 실질적으로 기판의 균일한 연마를 제공하는 캐리어 헤드를 갖추고 있어야 한다.
도 1은 화학 기계식 연마 장치를 개략적으로 도시한 사시도이며,
도 2a는 상부 하우징이 제거된 도 1의 캐루젤(carousel)을 개략적으로 도시한 상부도이며,
도 2b는 캐루젤 지지판 위에 위치된 캐리어 헤드 조립체의 일부분을 개략적으로 도시한 확대 사시도이며,
도 3은 CMP 장치에 의해 이용되는 펌프를 개략적으로 도시한, 도 2a의 선 3-3을 따라 취한 캐리어 헤드 조립체의 부분 횡단면도이며,
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 개략적으로 도시한 횡단면도이며,
도 5는 본 발명에 다른 캐리어 헤드의 확대도이며, 그리고
도 6은 본 발명에 따른 캐리어 헤드를 개략적으로 도시한 저면도이다.
본 발명은, 제 1 실시 양태에 있어서, 화학 기계식 연마 시스템에서 이용하기 위한 캐리어 헤드에 관한 것이다. 캐리어 헤드는 캐리어 기저부, 및 제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하기 위해 캐리어 기저부에 연결된 가요성 멤브레인과 같은 가요성 부재를 포함한다. 가요성 부재의 하부면은 제 1 챔버와 결합된 내곽부, 제 2 챔버와 결합되고 내부를 둘러싼 실질적으로 환형인 중간부, 및 제 3 챔버와 결합되고 중간부를 둘러싼 실질적으로 환형인 외곽부를 구비한 기판 수용면을 포함한다. 가요성 부재의 내곽부, 중간부, 및 외곽부 상의 압력은 독립적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시에는 이하가 포함된다. 외곽부의 폭은 중간부의 폭보다 상당히 적을 수도 있다. 외곽부의 외측 반경은 예를 들어 150mm와 같이, 대략 100mm 이상이며, 외곽부의 폭은 예를 들어 10 mm와 같이, 약 4 내지 20mm 사이이다. 가요성 부재는 내부 환형 플랩(inner annular flap), 중간 환형 플랩, 및 외부 환형 플랩을 포함하며, 각 플랩은 캐리어 기저부의 하부면에 고정되어 제 1, 제 2, 및 제 3 챔버를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시 양태에서, 캐리어 헤드는 구동 샤프트에 부착 가능한 플랜지, 캐리어 기저부, 캐리어 기저부에 플랜지를 피봇 연결하는 짐벌 기구(gimbal mechanism), 및 캐리어 기저부에 연결되고 챔버를 규정하는 가요성 부재를 포함한다. 가요성 부재의 하부면은 기판 수용면을 제공한다. 짐벌 기구는 캐리어 기저부에 연결된 내부 레이스, 사이에 간극을 형성하기 위해 플랜지에 연결된 외부 레이스, 및 간극 내에 위치된 다수의 베어링을 포함한다.
본 발명의 실시에는 아래 사항이 포함된다. 스프링은 내부 레이스 및 외부 레이스가 베어링과 접하도록 하며, 환형의 리테이너는 베어링을 유지시킨다. 다수의 핀은 플랜지 부분 내의 통로를 통해 수직으로 뻗어있어, 각 핀의 상단부가 구동 샤프트 내의 리세스 내에 수용되며, 각 핀의 하단부는 구동 샤프트로부터 캐리어 기저부까지 토오크를 전달하기 위해 캐리어 기저부 내의 리세스 내에 수용된다. 리테이닝 링(retaining ring)은 기판 수용면과 함께 기판 수용 리세스를 한정하기 위해 캐리어 기저부에 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태는 화학 기계식 연마 시스템에서 이용하기 위한 조립체에 관한 것이다. 조립체는 구동 샤프트, 구동 샤프트에 미끄럼식으로 연결된 커플링, 구동 샤프트와 회전하기 위해 구동 샤프트의 하단부에 고정된 캐리어 헤드, 구동 샤프트와 캐리어 헤드의 수직 위치를 제어하기 위해 구동 샤프트의 상단부에 결합된 수직 작동기, 및 구동 샤프트에 토오크를 전달하기 위해 커플링을 회전시키도록 카플링에 결합된 모터를 포함한다.
본 발명의 실시에는 이하가 포함된다. 구동 샤프트는 구동 샤프트 하우징을 통해 연장되며, 수직 작동기 및 모터가 구동 샤프트 하우징에 고정된다. 커플링은 구동 샤프트의 상단부를 둘러싼 상부 회전 링, 및 구동 샤프트의 하단부를 둘러싼 하부 회전 링, 상부 회전 링을 구동 샤프트 하우징에 회전 가능하도록 연결하는 제 1 베어링, 및 하부 회전링을 구동 샤프트 하우징에 회전 가능하도록 연결하는 제 2 베어링을 포함한다. 상부 및 하부 회전 링은 스플라인 너트일 수 있으며 구동 샤프트는 스플라인 샤프트일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태는, 화학 기계식 연마 시스템에서 사용하기 위한 캐리어 헤드 조립체에 관한 것으로서, 구동 샤프트, 상기 구동 샤프트의 상단부를 측면으로 고정시키는 제 1 볼 베어링 조립체, 구동 샤프트의 하단부를 측면으로 고정시키는 제 2 볼 베어링 조립체, 및 짐벌 기구에 의해 구동 샤프트의 하단부에 연결된 캐리어 헤드를 포함한다. 짐벌 기구는 캐리어 헤드가 구동 샤프트에 대해 피봇 회전하도록 한다. 제 1 볼 베어링 조립체와 제 2 볼 베어링 조립체 사이의 거리는 짐벌 기구를 통해 전달될 측면의 힘이 구동 샤프트를 피봇 회전시키는 것을 실질적으로 방지하기에 충분한 거리이다.
또 다른 실시양태에서, 캐리어 헤드 조립체는 구동 샤프트 및 구동 샤프트의 하단부에 연결된 캐리어 헤드를 포함한다. 구동 샤프트는 보어, 중심 통로를 한정하기 위해 보어 내에 위치되는 적어도 하나의 원통형 튜브, 및 중심 통로를 둘러싼 적어도 하나의 환형 통로를 포함한다. 캐리어 헤드는 다수의 챔버를 포함하며, 각각의 챔버는 통로들 중의 하나에 연결된다.
본 발명의 실시에는 아래가 포함된다. 구동 샤프트는 3개의 동심 통로를 한정하기 위해 보어 내에 위치된 두 개의 동심 튜브를 포함하며, 통로들 각각은 챔버 중의 하나에 연결된다. 회전 유니온은 다수의 통로 중의 각 통로에 다수의 압력 공급원을 결합시킨다.
다른 실시양태에서, 본 발명은 제 1, 제 2, 제 3의 독립적으로 압축 가능한 챔버, 기판의 중심부에 제 1 압력을 인가시키기 위해 제 1 챔버와 결합된 가요성 내곽부, 기판의 중간 부분에 제 2 압력을 인가시키기 위해 내곽부를 둘러싸고 있으며 제 2 챔버와 결합된 실질적으로 환형인 가요성 중간부, 및 기판의 외부에 제 3 압력을 인가시키기 위해 중간부를 둘러싸고 있으며 제 3 챔버와 결합된 실질적으로 환형인 가요성 외곽부를 포함한다. 외곽부는 중간부보다 더 좁다.
본 발명에 따른 이점은 아래와 같다. 캐리어 헤드는 제어 가능한 하중을 기판의 여러 부분에 인가시켜 연마 균일도를 개선시킨다. 캐리어 헤드는 기판을 연마 패드 위로 상승시키기 위해 기판을 진공 척으로 고정시킬 수 있다. 캐리어 헤드는 이동 부품을 거의 포함하고 있지 않으며, 소형이며 보수에 용이하다.
본 발명의 또 다른 이점 및 특성은 도면 및 청구범위를 포함하는 다음의 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1을 참조하면, 하나 이상의 기판(10)이 CMP 장치(20)에 의해 연마될 것이다. CMP 장치(20)의 보다 완전한 기술은 1996년 10월 27일 페르로브 등에 의해 출원되었고 발명의 명칭이 "화학 기계식 연마용 연속 처리 시스템(CONTINUOUS PROCESSING SYSTEM FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING)"이며 본원에 참조된 미국 특허 출원 제 08/549, 336호에 기재되어 있다.
CMP 장치(20)는 테이블 상부(23)가 장착된 하부 기계 기저부(22) 및 (도시되지 않은) 제거 가능한 상부 외부 덮개를 포함한다. 테이블 상부(23)는 일련의 연마 스테이션(25a, 25b, 25c) 및 이송 스테이션(27)을 포함한다. 이송 스테이션(27)은 일반적으로 3개의 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)과 장방형 배열을 형성한다. 이송 스테이션(27)은 (도시되지 않은) 적재 장치로부터 각 기판(10)을 수용하고, 기판을 세척하고, 기판을 캐리어 헤드 내부로 적재하고(이후 설명), 캐리어 헤드로부터 기판을 수용하고, 기판을 재세척하고, 기판을 적재 장치로 다시 이송하는 다양한 기능을 제공한다.
각 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)은 회전성 플래튼(30)을 포함하며, 그 위에 연마 패드(32)가 위치된다. 기판(10)이 지름 200mm(8inch)의 디스크이면, 플래튼(30) 및 연마 패드(32)의 지름은 약 50.08cm(20inch)가 될 것이다. 플래튼(30)은 (도시되지 않은) 스테인레스강 플래튼 구동 샤프트에 의해 (도시되지 않은) 플래튼 구동 모터에 연결된 회전성 알루미늄 또는 스테인레스강판일 수 있다. 대부분의 연마 공정에서, 고속 또는 저속의 회전 속도가 이용되더라도, 구동 모터는 대략 30 내지 200rpm에서 플래튼(30)을 회전시킨다.
연마 패드(32)는 연마 표면이 거친 복합 재료이다. 연마 패드(32)는 압력 감응 부착층에 의해 플래튼(30)에 부착된다. 연마 패드(32)는 50mil의 두꺼운 상부층 및 50mil의 두꺼운 유연한 하부층을 갖는다. 상부층은 충전재가 혼합된 폴리우레탄이다. 하부층은 우레탄이 용해된 압축된 펠트 섬유로 구성되어 있다. IC-1000으로 구성된 상부층과 SUBA-4로 구성된 하부층을 갖는 공통 두 개 층의 연마 패드는 미국 델라웨어주 네와크에 위치한 로델 인코포레이티드로부터 구할 수 있다(IC-1000 및 SUBA-4는 로델 인코포레이티드의 상품명이다).
각 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)은 관련 패드 컨디셔너 장치(40)를 더 포함한다. 각 패드 컨디셔너 장치(40)는 개별적으로 회전하는 컨디셔너 헤드(44) 및 관련 세척기(46)를 유지시키는 회전성 아암(42)을 갖추고 있다. 컨디셔너 장치(40)는 연마 패드의 조건을 유지하여 연마 패드가 회전하는 중에 이에 대해 압축될 임의의 기판을 효과적으로 연마할 것이다.
반응제(예를 들어 산화물 연마용 탈이온수), 연마 입자(예를 들어 산화물 연마용 이산화실리콘), 및 화학 반응성 촉매(예를 들어 산화물 연마용 수산화칼륨)를 함유한 슬러리(50)는 플래튼(30)의 중심에 있는 슬러리 공급 포트(52)를 거쳐 연마 패드(32)의 표면으로 공급된다. 전체 연마 패드(32)를 덮어 세척하기 위해 충분한 슬러리가 제공된다. 선택적으로, 이웃하는 연마 스테이션(25a, 25b, 25c)과 이송 스테이션(27) 사이에 중간 세척 스테이션(55a, 55b, 55c)이 위치될 수 있다. 세척 스테이션은 기판이 하나의 연마 스테이션으로부터 다른 연마 스테이션으로 통과함에 따라 기판을 세정하기 위해 제공된다.
회전성 다중 헤드의 캐루젤(60)은 하부 기계 기저부(22) 위에 위치된다. 캐루젤(60)은 중심 기둥(62)에 의해 지지되고 중심 기둥 상에서 기저부(22) 내에 위치된 캐루젤 모터 조립체 의해 캐루젤 축(64) 둘레에서 회전된다. 중심 기둥(62)은 캐루젤 지지판(66) 및 덮개(68)를 지지한다. 캐루젤(60)은 4개의 캐리어 헤드 조립체(70a, 70b, 70c, 70d)를 포함한다. 캐리어 헤드 조립체 중 3개의 조립체는 기판을 수용하고 유지시키며, 연마 스테이션(25a-25c)의 플래튼(30) 상의 연마 패드(32)에 대해 기판을 압축함으로써 기판을 연마한다. 캐리어 헤드 조립체의 하나는 이송 스테이션(27)으로부터 기판을 수용하고 기판을 이송 스테이션(27)으로 이송시킨다.
4개의 캐리어 헤드 조립체(70a-70d)는 캐루젤 축(64) 둘레로 동일한 각 간격에서 캐루젤 지지 판(66) 상에 장착된다. 중심 기둥(62)은 캐루젤 모터가 캐루젤 지지판(66)을 회전시키도록 하고 캐루젤 축(64) 둘레로 캐리어 헤드 시스템(70a-70d) 및 이에 부착된 기판을 선회하도록 한다.
각 캐리어 헤드 시스템(70a-70d)은 캐리어 헤드(200), 3개의 공압식 작동기(74)(도 2a 및 도 2b 참조), 및 (덮개(68) 및 공압식 작동기(74)의 1/4이 제거되어 도시된) 캐리어 모터(76)를 포함한다. 각 캐리어 헤드(200)는 헤드 자체 축에 대해 독립적으로 회전하며, 방사상 슬롯(72) 내에서 독립적으로 측면으로 진동한다. 캐루젤 지지판(66) 내에 방사상으로 연장되고 90°떨어져 향한 4개의 방사상 슬롯(72)이 존재한다. 각 캐리어 구동 모터(76)는 방사상 슬롯(72)을 통해 캐리어 헤드(200)로 연장되는 캐리어 구동 샤프트 조립체(78)에 연결된다. 각 헤드에 하나의 캐리어 구동 샤프트 조립체 및 모터가 존재한다.
실제적인 연마 중에, 캐리어 헤드 중 3개, 예를 들어 캐리어 헤드 조립체(70a-70c)는 각 연마 스테이션(25a-25c), 및 각 연마 스테이션 위에 위치된다. 공압식 작동기는 캐리어 헤드(200) 및 이에 부착된 기판을 하강시켜 연마 패드(32)와 접촉시킨다. 슬러리(50)는 기판 웨이퍼의 화학적 기계식 연마용 매체로 작동한다. 일반적으로, 캐리어 헤드(200)는 기판을 연마 패드에 대해 유지시키며 기판의 후면을 가로질러 하향 압력을 균일하게 분포시킨다. 캐리어 헤드는 구동 샤프트 조립체(78)로부터 기판까지 토오크를 전달하며 기판이 연마 중에 캐리어 헤드 아래로부터 미끄러지지 않도록 한다.
캐루젤(60)의 덮개(68)가 제거된 상태의 도 2a를 참조하면, 캐루젤 지지판(66)은 4개의 지지 슬라이드(80)를 지지한다. 캐루젤 지지판(66)에 고정된 두 개의 레일(82)은 각 슬롯(72)을 지지한다. 각각의 슬라이드(80)는 슬라이드(80)가 관련된 방사상 슬롯(72)을 따라 자유롭게 이동하도록 두 개의 레일(82) 상에 놓여 있다.
레일(82)의 하나의 외부 단부에 고정된 베어링 정지부(84)는 슬라이드(80)가 레일의 단부에서 우발적으로 떨어지지 않도록 한다. 각 슬라이드(80)는 슬라이드의 말단부 부근에서 슬라이드에 고정된 도시되지 않은 나사 수용 공동 또는 너트를 포함한다. 나사식 공동 또는 너트는 캐루젤 지지판(66) 상에 장착된 슬라이드 방사상 진동자 모터(88)에 의해 구동된 웜기어 리드 스크류(86)를 수용한다. 모터(88)가 리드 스크류(86)를 회전시킬 때, 슬라이드(80)는 방사상으로 이동한다. 4개의 모터(88)는 방사상 슬롯(72)을 따라 4개의 슬라이드(80)를 독립적으로 이동시키기 위해 독립적으로 작동될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 3개의 공압식 작동기(74)는 각 슬라이드(80) 상에 장착된다. 3개의 공압식 작동기(74)는 (도 2a에 허상으로 도시된) 아암(130)에 의해 캐리어 구동 샤프트 조립체(78)에 연결된다. 각 공압식 작동기(74)는 아암(130)의 코너의 수직 위치를 제어한다. 각 공압식 작동기(74)는 공통 제어 시스템에 연결되며 동일하게 수직으로 이동하여 아암(130)이 실질적으로 수평 위치에서 유지되도록 한다.
도 3을 참조하면, 각 캐리어 헤드 조립체(70a-70c)는 전술한 캐리어 헤드(200), 공압식 작동기(74)(횡단면으로 도시되어 있어 그 중 하나 만이 도시되어 있음), 캐리어 모터(76), 및 구동 샤프트 조립체(78)를 포함한다. 구동 샤프트 조립체(78)는 스플라인 샤프트(92), 상부 스플라인 너트(94), 하부 스플라인 너트(96), 및 어댑터 플랜지(150)를 포함한다. 각 캐리어 헤드 조립체(70a-70d)는 구동 샤프트 하우징(90)을 더 포함한다. 캐리어 모터(76)는 구동 샤프트 하우징(90)에 고정되며, 공압식 작동기(74) 및 구동 샤프트 하우징(90)은 슬라이드(80)에 고정된다. 이와 달리, 캐리어 모터(76), 공압식 작동기(74), 및 구동 샤프트 하우징(90)은 (도시되지 않은) 캐리어 지지판에 고정되며, 캐리어 지지판은 슬라이드(80)에 부착될 수도 있다. 구동 샤프트 하우징(90)은 한 쌍의 상부 볼 베어링(100, 102)에 의해 상부 스플라인 너트(94)를 유지시킨다. 유사하게, 하부 스플라인 너트(96)는 한 쌍의 하부 볼 베어링(104, 106)에 의해 유지된다. 볼 베어링은 스플라인 샤프트(92), 및 스플라인 너트(94)가 구동 샤프트 하우징(90)에 대해 회전되도록 하며, 수직으로 고정된 위치에서 스플라인 너트(96, 94)를 유지시킨다. 원통형 튜브(108)는 하부 스플라인 너트(96)에 상부 스플라인 너트(94)를 연결시키기 위해 볼 베어링(102, 104) 사이에 위치될 수 있다. 스플라인 샤프트(92)는 캐리어 헤드(200)를 지지하기 위해 스플라인 너트(94, 96)를 통과한다. 스플라인 너트(94, 96)는 스플라인 샤프트(92)를 측면 고정 위치로 유지시키나, 스플라인 샤프트(92)가 수직으로 슬라이딩하도록 허용한다. 어댑터 플랜지(150)는 스플라인 샤프트(92)의 하단부에 고정된다. 상부 볼 베어링(100, 102)과 하부 볼 베어링(104, 106) 사이의 거리는 스플라인 샤프트가 캐리어 헤드로부터 인가되는 측면 하중 하에서 피봇 회전하는 것을 실질적으로 방지하기에 충분한 거리이다. 또 볼 베어링은 낮은 마찰력의 회전 커플링을 제공한다. 더욱이, 볼 베어링 및 스플라인 샤프트는 스플라인 너트가 측면 하중의 결과로서 구동 샤프트 하우징에 마찰 부착되지 않도록 도와준다.
도 4를 참조하면, 스플라인 샤프트(92)의 외부 원통형 표면(110)은 스플라인 너트(96)의 내부 원통형 표면(114) 내의 대응 리세스(116) 내부로 끼워맞춰진 세 개 이상의 돌출부 또는 탭(112)을 포함한다. 따라서, 스플라인 샤프트(92)는 회전 고정되나, 스플라인 너트(96)에 대해 수직으로 자유롭게 이동한다. 적합한 스플라인 샤프트 조립체는 일본, 토쿄 소재의 THK 컴퍼니, 리미티드에서 구할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 기어(120)는 구동 샤프트 하우징(90) 위로 돌출되는 상부 스플라인 너트(94)의 일부에 연결된다. 제 2 기어(122)는 캐리어 모터(76)에 의해 구동되며 제 1 기어(120)와 맞물린다. 따라서, 캐리어 모터(76)는 제 2 기어(122)를 구동시키고, 제 2 기어(122)는 제 1 기어(120)를 구동시키고, 제 1 기어(120)는 상부 스플라인 너트(94)를 구동시키고, 상부 스플라인 너트(94)는 차례로 스플라인 샤프트(92) 및 캐리어 헤드(200)를 구동시킨다. 기어(120, 122)는 화학 기계식 연마 장치로부터의 슬러리 또는 다른 오염인자로부터 기어를 보호하기 위한 하우징(124)에 의해 둘러싸여져 있다.
캐리어 모터(76)는 구동 샤프트 하우징(90) 또는 캐리어 지지판에 고정된다. 캐리어 모터(76)는 캐루젤 지지판(66) 내의 구경을 통해 연장된다(도 2b 참조). 이용 가능한 공간의 최대 사용량을 최대화시키고 연마 장치의 크기를 줄이기 위해, 캐리어 모터(76)는 방사상 슬롯(72) 내의 구동 샤프트 조립체(78)에 인접하여 위치하는 것이 바람직하다. 스플래시 방호물(126)은 슬러리가 캐리어 모터(76)를 오염시키지 않도록 캐루젤 지지판(66)의 하부에 연결된다.
아암(130)은 스플라인 샤프트(92)에 연결된다. 아암(130)은 원형 구경(136)을 포함하며, 스플라인 샤프트(92)는 아암(130) 내의 구경(136)을 통해 상부 스플라인 너트(94) 위로 돌출된다. 아암(130)은 상부 링 베어링(132) 및 하부 링 베어링(134)으로 스플라인 샤프트(92)를 유지시킨다. 링 베어링(132, 134)의 내부 레이스는 스플라인 샤프트(92)에 고정되며 링 베어링의 외부 레이스는 아암(130)에 고정된다. 따라서, 공압식 작동기(74)가 아암(130)을 상승시키거나 하강시킬 때, 스플라인 샤프트(92) 및 캐리어 헤드(200)는 유사한 이동을 한다. 연마 패드(32)의 표면에 대해 기판(10)을 적재하기 위해서는, 공압식 작동기(74)는 기판이 연마 패드에 대해 압축될 때까지 캐리어 헤드(200)를 하강시킨다. 공압식 작동기(74)는 캐리어 헤드(200)의 수직 위치를 제어하여 연마 스테이션(25a-25c) 및 이송 스테이션(27) 사이의 기판 이송 중에 연마 패드(32)로부터 상승된다.
기판은 주 연마 단계 이후에 최종 연마 단계를 포함하는 일반적으로 다단 연마 단계에 놓인다. 통상적으로 스테이션(25a)에서 수행되는 주 연마 단계에 대해, 연마 장치는 기판에 약 4∼10psi의 힘을 가한다. 후속하는 스테이션에서, 연마 장치는 다소 힘을 가한다. 예를 들어, 스테이션(25c)에서 수행된 최종 연마 단계에 대해, 캐리어 헤드(200)는 대략 3psi의 힘을 가한다. 캐리어 모터(76)는 대략 30∼200rpm에서 캐리어 헤드(200)를 회전시킨다. 플래튼(30) 및 캐리어 헤드(200)는 거의 동일한 속도로 회전한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 보어(142)는 스플라인 샤프트(92)의 길이를 통해 형성된다. 두개의 원통형 튜브(144a, 144b)는 예를 들어 3개의 동심 원통형 채널을 발생시키기 위해 보어(142) 내에 위치된다. 이와 같이, 스플라인 샤프트(92)는 예를 들어 외부 채널(140a), 중간 채널(140b), 및 내부 채널(140c)을 포함한다. 다양한 받침대 또는 (도시되지 않은) 횡단면은 튜브(144a, 144b)를 보어(142) 내부의 정위치에 유지하기 위해 이용된다. 스플라인 샤프트(92)의 상부에서 회전 커플링(146)은 3개의 채널(140a, 140b, 140c)에 3개의 유체 라인(148a, 148b, 148c)을 결합시킨다. 3개의 펌프(149a, 149b, 149c)는 유체 라인(140a, 140b, 140c)에 각각 연결된다. 이후 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 캐리어 헤드(200)에 공압식으로 전력을 가하고 캐리어 헤드(200)의 바닥에 기판을 진공 척으로 고정시키기 위해 채널(140a, 140b, 140c) 및 펌프(149a, 149b, 149c)가 이용된다.
도 5를 참조하면, 어댑터 플랜지(150)는 스플라인 샤프트(92)의 바닥에 분리가능하게 연결된다. 어댑터 플랜지(150)는 일반적으로 기저부(152) 및 원형 벽(154)을 갖는 보울 형상의 몸체이다. 3개의 통로(156a-156c)(통로(156a)는 횡단면이 허상으로 도시되어 있다)는 어댑터 플랜지(150)의 기저부(152)의 상부면(158)으로부터 하부면(160)까지 연장한다. 기저부(152)의 상부면(158)은 원형 침하부(162)를 포함하며 하부면(160)은 하부 허브부(164)를 포함한다. 스플라인 샤프트(92)의 최하층 단부는 원형 침하부(162) 내부에 끼워맞춰진다.
일반적으로 환형의 커넥터 플랜지(170)는 스플라인 샤프트(92)의 하부에 결합된다. 커넥터 플랜지(170)는 두 개의 통로(172a, 172b)를 포함한다(통로(172b)는 횡단면이 허상으로 도시되어 있다). 두 개의 수평 통로(174a, 174b)는 통로(172a, 172b)에 채널(140a, 140b)를 연결시키기 위해 스플라인 샤프트(92)를 통해 연장된다.
스플라인 샤프트(92)에 어댑터 플랜지(150)를 연결하기 위해, 3개의 다월핀(dowel pins, 180))(횡단면으로 도시되어 있어 그 중 하나만이 도시되어 있음)은 어댑터 플랜지(150) 상부면(158) 내의 리세스(182)와 매칭되게 위치된다. 이때 어댑터 플랜지(150)가 들어올려져 다월핀(180)이 커넥터 플랜지(170) 내의 매칭 수용 리세스(184) 내부로 끼워맞춰진다. 이에 따라 통로(172a, 172b)가 통로(156a, 156b)와 주변부로 정열되며, 채널(140c)이 통로(156c)와 정열된다. 어댑터 플랜지(150)는 (도시되지 않은) 스크류로 커넥터 플랜지(170)에 고정된다.
어댑터 플랜지(150)의 원형 벽(154)은 슬러리가 스플라인 샤프트(92)와 접하는 것을 방지한다. 플랜지(190)는 구동 샤프트 하우징(90)에 연결되며 원형 벽(154)은 플랜지(190)와 구동 샤프트 하우징(90) 사이의 간극(192) 내부로 돌출된다.
캐리어 헤드(200)는 하우징 플랜지(202), 캐리어 기저부(204), 짐벌 기구(206), 보유 링(208), 및 가요성 부재(210)를 포함한다. 하우징 플랜지(202)는 구동 샤프트 조립체(72)의 바닥에서 어댑터 플랜지(150)에 연결된다. 캐리어 기저부(204)는 짐벌 기구(206)에 의해 하우징 플랜지(202)에 피봇 회전식으로 연결된다. 캐리어 기저부(204)는 연마 패드(32)의 표면과 실질적으로 수직인 회전축에 대해 회전하기 위해 어댑터 플랜지(150)에 연결된다. 가요성 부재(210)는 캐리어 기저부(204)에 연결되며 원형 중심 챔버(212), 중심 챔버(212)를 둘러싼 환형 중간 챔버(214), 및 환형 중간 챔버(214)를 둘러싼 환형 외부 챔버(216)를 포함한 3개의 챔버를 형성한다. 챔버(212, 214, 216)의 가압은 연마 패드(32)에 대해 기판의 하향 압력을 제어한다. 이들 부재 각각은 이후 상세히 설명될 것이다.
하우징 플랜지(202)의 형상은 일반적으로 환형이며 어댑터 플랜지(150)와 지름이 거의 같다. 하우징 플랜지(202)는 캐리어 헤드(200)의 회전축 둘레에서 일정한 각 간격(angular intervals)으로 형성된 3개의 수직 통로(220)(횡단면으로 도시되어 있어 그 중 하나 만이 도시되어 있음)를 포함한다. 하우징 플랜지(202)는 나사식의 원통형 목부(cylinderical neck, 260)를 갖추고 있다.
캐리어 기저부(204)는 일반적으로 하우징 플랜지(202) 아래에 위치된 디스크 형상의 몸체이다. 캐리어 기저부(204)는 연마될 기판보다 지름이 약간 더 크다. 캐리어 기저부(204)의 상부면(222)은 환형 테두리(224), 환형의 리세스(226), 및 리세스(226) 상의 중심부 내에 위치된 터릿(turret, 228)을 포함한다. 캐리어 기저부(204)의 바닥면(230)은 중간 챔버(214)의 모서리를 한정하는 환형의 외부 침하부(232)를 포함한다. 캐리어 기저부(204)의 바닥면(230)은 내부 챔버(212)의 천정을 한정하는 보다 얕은 환형의 내부 침하부(234)를 포함한다.
캐리어 기저부(204)는 터릿(228)의 상부면(238)으로부터 하부면(230)까지 연장되는 3개의 통로(236a-236c)를 포함한다(통로(236a)는 횡단면도에서 허상으로 도시되어 있다). O링(239)은 상부면(238) 내의 리세스 내부에 위치되며 캐리어 헤드(200)가 어댑터 플랜지(150)에 연결될 때 통로를 밀봉하기 위해 3개의 통로(236a-236c)를 둘러싸고 있다.
전술한 바와 같이, 캐리어 기저부(204)는 짐벌 기구(206)에 의해 하우징 플랜지(202)에 연결된다. 짐벌 기구(206)는 캐리어 기저부(204)가 하우징 플랜지(202)에 대해 피봇 회전하도록 하여, 캐리어 기저부(204)가 연마 패드의 표면에 실질적으로 평행하게 유지된다. 특히 짐벌 기구는 캐리어 기저부(204)가 연마 패드(32)와 기판(10) 사이의 계면 상의 지점을 중심으로 회전하도록 한다. 그러나, 짐벌 기구(206)는 캐리어 기저부(204)가 측면으로 이동하지 못하도록, 즉 연마 패드(32)의 표면에 평행하도록 하기 위해 스플라인 샤프트(92) 아래에 캐리어 기저부(204)를 유지시킨다. 짐벌 기구(206)는 스플라인 샤프트(92)로부터 캐리어 기저부(204)까지 하향의 압력을 전달한다. 또 짐벌 기구(206)는 기판과 연마 패드(32) 사이의 마찰력에 의해 발생된 전단력 등의 임의의 측면 하중을 하우징 플랜지(202) 및 구동 샤프트 조립체(78)에 전달할 수 있다.
내부로 돌출한 립(242)을 갖춘 환형의 바이어싱 플랜지(240)는 캐리어 기저부(204)에 고정된다. 바이어싱 플랜지(240)는 환형의 리세스(226) 내의 캐리어 기저부(204)에 조여질 수 있다.
짐벌 기구(206)는 내부 레이스(250), 외부 레이스(252), 리테이너(254), 및 복수의 볼 베어링(256)을 포함한다. 도면에는 횡단면도로 단 2개만이 도시되어 있지만, 12개의 볼 베어링(256)이 존재할 수 있다. 내부 레이스(250)는 캐리어 기저부(204)에 고정되거나 캐리어 기저부(204)의 일부로서 형성되며, 터릿(228)에 인접한 리세스(226) 내에 위치된다. 외부 레이스(252)는 하우징 플랜지(202)에 고정되거나 하우징 플랜지(202)의 일부로서 형성되며, 바이어싱 플랜지(240)의 내부로 돌출한 립(242) 아래로 연장하는 외부 돌출 립(258)을 포함한다. 환형의 스프링 와셔(244)는 내부로 돌출한 립(242)과 외부로 돌출한 립(258) 사이의 간극 내에 끼워맞춰진다. 와셔(244)는 볼 베어링(256)과 접촉하게 내부 레이스(250), 및 외부 레이스(252)를 바이어스시킨다. 리테이너(254)는 일반적으로 다수의 원형 구경을 갖춘 환형 형상의 몸체이다. 볼 베어링(256)은 내부 레이스(250)와 외부 리세스(252) 사이 간극 내의 정위치에 유지되도록 리테이너(254) 내의 구경 내부로 끼워맞춰진다.
어댑터 플랜지(150)에 캐리어 헤드(200)를 연결시키기 위해서는, 3개의 수직 토오크 전달 핀(262)(횡단면으로 도시되어 있어 그 중 하나만이 도시되어 있음)이 하우징 플랜지(202) 내의 통로(220)를 통해 바이어싱 플랜지(240) 또는 캐리어 기저부(204) 내의 3개의 수용 리세스(264) 내부로 삽입된다. 그리고 나서, 캐리어 헤드(200)는 수직 토오크 전달 핀(262)이 어댑터 플랜지(150) 내의 3개의 수용 리세스(266) 내부로 끼워맞춰지도록 상승된다. 이는 캐리어 기저부(204) 내의 각 통로(236a-236c)와 어댑터 플랜지(150) 내의 통로(156a-156c)를 정렬시킨다. 어댑터 플랜지(150)의 하부 허브(178)는 터릿(228)의 상부면(239)과 접한다. 최종적으로, 나사산이 형성된 주변부 너트(268)는 어댑터 플랜지(150)의 엣지(269) 너머로 끼워맞춰지며 어댑터 플랜지(150), 및 구동 샤프트 조립체(78)에 캐리어 헤드(200)를 단단하게 고정시키기 위해 하우징 플랜지(202)의 나사산이 형성된 목부(260) 상으로 나사 결합된다. 캐리어 기저부(204)의 테두리(224)는 주변부 너트(268)의 하부면 내의 환형의 리세스(259) 내부로 끼워맞춰진다. 이에 따라 통로가 제한되어, 슬러리가 짐벌 기구(206) 또는 스프링 와셔(244)를 오염시키는 것이 방지된다.
리테이닝 링(208)은 캐리어 기저부(204)의 외부 엣지에서 고정된다. 리테이닝 링(208)은 실질적으로 편평한 바닥면(270)을 갖는 일반적인 환형의 링이다. 공압식 작동기(74)가 캐리어 헤드(200)를 하강시킬 때, 리테이닝 링(208)은 연마 패드(32)와 접한다. 리테이닝 링(208)의 내부면(272)은 가요성 부재(210)의 바닥면과 연결되어 기판 수용 리세스(274)를 형성한다. 리테이닝 링(208)은 기판이 기판 수용 리세스(274)를 빠져나가지 못하도록 하며 기판으로부터 캐리어 기저부(204)까지 측면 하중을 전달한다.
리테이닝 링(208)은 경질의 플라스틱 또는 세라믹 재료로 제조된다. 리테이닝 링(208)은 예를 들어 볼트(278)에 의해 캐리어 기저부(204)에 고정되는 리테이닝 부분(276)에 의해 캐리어 기저부(204)에 고정된다.
가요성 부재(210)는 캐리어 기저부(204)에 연결되며 캐리어 기저부 아래로 연장한다. 가요성 부재(210)의 바닥면 또는 하부면은 기판 수용면(280)을 제공한다. 캐리어 기저부(204)와 연결되어, 가요성 부재(210)는 중심 챔버(212), 환형의 중간 챔버(214), 및 환형의 외부 챔버(216)를 형성한다. 가요성 부재(210)는 고 강도의 실리콘 고무 등의 가요성 및 탄성 재료로 형성된 일반적으로 원형인 시이트이다. 가요성 부재(210)는 내부 환형의 플랩(282a), 중간 환형 플랩(282b), 및 외부 환형 플랩(282c)을 포함한다. 플랩(282a-282c)은 일반적으로 동심으로 구성된다. 플랩(282a-282c)은 3개의 분리된 가요성 부재를 적층시켜서 각 부재의 외부 환형부를 자유롭게 남겨두기 위해 부재의 중심부를 접합시킴으로서 형성된다. 이와 달리, 전체 가요성 부재(210)는 단일 부분으로 압출될 수도 있다.
환형의 하부 플랜지(284)는 캐리어 기저부(204) 바닥면(230) 상의 침하부(232)에 고정된다. 하부 플랜지(284)는 플랜지의 상부면 상에 내부 환형 홈(286) 및 외부 환형 홈(287)을 포함한다. 하부 플랜지(284)를 통해 통로(288)가 연장되며 통로(236b)에 연결된다. 하부 플랜지(284)는 플랜지의 하부면 상에 환형의 만입부(289)를 포함할 수 있다. 내부 플랩(282a), 중간 플랩(282b), 및 외부 플랩(282c)은 각각 돌출 외부 엣지(290a, 290b, 290c)를 포함한다. 캐리어 기저부(204)에 가요성 부재(210)를 고정하기 위해서는, 내부 플랩(282a)은 플랩의 돌출 엣지(290a)가 내부 홈(286) 내부로 끼워맞춰지도록 하부 플랜지(284)의 내부 엣지 둘레에 둘러싸이며, 중간 플랩(282b)은 플랩의 돌출 엣지(290b)가 외부 홈(287) 내부로 끼워맞춰지도록 하부 플랜지(284)의 외부 엣지 둘레에 둘러싸인다. 그리고 나서, 하부 플랜지(284)는 캐리어 기저부(204)의 상부면(222)으로부터 연장하는 (도시되지 않은) 스크류에 의해 침하부(232) 내에 고정된다. 내부 및 중간 플랩(282a, 282b)은 내부 및 중간 챔버(212, 214)를 밀봉시키기 위해 하부 플랜지(284)와 캐리어 기저부(204) 사이에 체결된다. 최종적으로, 외부 플랩(282c)의 외부 엣지(290c)는 외부 챔버(216)를 밀봉하기 위해 리테이닝 링(208)과 캐리어 기저부(204) 사이에서 체결된다.
펌프(149a)(도 3 참조)는 유체 라인(148a), 회전 커플링(146), 스플라인 샤프트(92) 내의 내부 채널(140a), 어댑터 플랜지(150) 내의 (도시되지 않은) 통로, 및 캐리어 기저부(204)를 통한 (도시되지 않은) 통로(236c)에 의해 내부 챔버(212)에 연결될 수 있다. 펌프(149b)는 유체 라인(148b), 회전 커플링(146), 중간 채널(140b), 어댑터 플랜지(150) 내의 (도시되지 않은) 통로, 캐리어 기저부(204) 내의 통로(236b), 및 하부 플랜지(284) 내의 통로(288)에 의해 중간 챔버(214)에 연결될 수 있다. 펌프(149c)는 유체 라인(148c), 회전 커플링(146), 외부 채널(140c), 어댑터 플랜지(150) 내의 통로(156c), 및 캐리어 기저부(204) 내의 통로(236c)에 의해 외부 챔버(216)에 연결될 수 있다. 펌프가 챔버 중의 하나 내부로 유체, 바람직하게는 공기 등의 가스에 힘을 가할 때는, 챔버의 체적은 증가될 것이며, 가요성 부재(210)의 일부분은 아래쪽이나 바깥으로 힘을 받게 될 것이다. 반면, 펌프가 챔버로부터 유체를 배기시키는 경우에는, 챔버의 체적은 감소되며 가요성 부재의 일부분은 상부 또는 내부로 향할 것이다.
가요성 부재(210)는 각각 내부 챔버(212), 중간 챔버(214), 및 외부 챔버(216) 아래에 각각 위치된 원형의 내곽부(292), 환형 중간부(294), 및 환형의 외곽부(296)를 포함한다(도 6 참조). 이와 같이, 챔버(212, 214, 216) 내의 압력은 각 가요성 부재 부분(292, 294, 296)에 인가되는 하향 압력을 조절할 수 있다.
가요성 부재 부분의 규격은 다양할 수 있다. 엣지 효과의 대부분은 기판 최외각의 6 내지 8mm에서 발생한다. 따라서, 환형의 외곽부(296)는 기판의 중심부 및 중간 부분에 가해진 압력과는 관계없이 기판의 엣지에서 좁은 엣지 영역의 압력 제어를 제공하기 위해 환형의 중간부(294)와 비교하여 방사상 방향으로 점차 좁아진다.
도 6을 참조하면, 내곽부(292)는 반경이 R1이며, 중간부(294)는 외곽부 반경이 R2이며, 외곽부(296)는 외부 반경이 R3이다. 중간부(294)의 폭(W1)은 R2 - R1과 같으며, 외곽부(296)의 폭(W2)은 R3 - R2과 같다. 반경 R3은 대략 100mm(지름 200mm의 기판에 대해)와 같거나 더 크며, 폭 W2은 5∼30mm이다. 반경 R3이 14.9cm(5.875inch)(지름 300mm의 기판에 대해)이면, 폭(W1 및 W2)은 각각 6.03cm(2.375inch), 및 1.59cm(0.625inch)이다. 이러한 배열에서, 반경(R1, R2)은 각각 7.30cm(2.875inch) 및 13.3cm(5.25inch)이다.
챔버(212, 214, 216) 내의 압력은 기판(10)의 연마 균일도를 최대화시키기 위해 펌프(149a, 149b, 149c)에 의해 독립적으로 제어된다. 외부 챔버(216) 내의 평균 압력은 다른 두 개의 챔버 내의 평균 압력보다 낮아 외곽부 환형 부분(296) 상의 압력이 엣지 효과에 의해 발생된 과다 연마를 보상하기 위해 연마중에 내곽부(292) 또는 중간부(294) 상의 압력보다 낮다.
가요성 부재(210)는 기판(10)의 후면과 매칭시키기 위해 변형된다. 예를 들어, 기판이 휘어지면, 가요성 부재(210)는 사실상 휘어진 기판의 형상에 따를 것이다. 따라서 기판 상의 하중은 기판의 후면 상에 표면 불균일성이 있다 하더라도 균일하게 유지될 것이다.
각 챔버에 다른 압력을 인가하는 대신, 각 챔버에 양의 압력이 인가되는 시간을 바꿀 수 있다. 이러한 방식으로 연마가 균일하게 될 수 있다. 예를 들어, 내부 챔버(212), 및 중간 챔버(214)에 8.0psi의 압력, 및 외부 챔버(216)에 6.0psi의 압력을 인가하기보다는, 8.0psi의 압력이 1분간 내부 챔버(212) 및 중간 챔버(214)에 인가되며, 45초 동안 외부 챔버(216)에 동일한 압력이 인가된다. 이러한 기법에 의하면, 압력 센서 및 압력 조절기가 간단한 소프트웨어 타이밍 제어에 의해 교체될 수 있다. 또 이러한 기법에 의하면, 보다 정확한 프로세스 특성을 허용하여 결과적으로 기판을 연마하기 위해 보다 나은 균일성을 갖게 된다.
캐리어 헤드(200)는 가요성 부재(210)의 하부에 기판(10)을 진공 척으로 고정시킬 수 있다. 이와 같이, 중간 챔버(214) 내의 압력은 다른 챔버의 압력과 비교하여 감소되며 가요성 부재(210)의 중간부(294)가 내부로 굽어지도록 한다. 중간부(294)가 위쪽으로 휘어지면 가요성 부재(210) 및 기판(10) 사이에 저압 포켓을 발생시킨다. 저압 포켓은 캐리어 헤드에 기판(10)을 진공 척으로 고정시킬 것이다. 기판 중심의 만곡을 방지하기 위하여, 중간부(294)를 내곽부(292)와 반대로 이용하는 것이 바람직하며, 이는 기판과 연마 패드 사이에 저압 포켓을 형성시킨다. 이러한 저압 포켓은 연마 패드에 기판을 진공 척으로 고정시킬 것이다. 게다가, 외부 챔버(216) 내의 압력은 증가되지만 중간 챔버(214) 내의 압력은 감소된다. 외부 챔버(216) 내의 증가된 압력은 외곽부(296)를 기판(10)에 대해 가압하여, 액밀한 밀봉(fluid-tight seal)을 효과적으로 형성한다. 이러한 밀봉에 따라, 주위 공기는 중간부(294) 및 기판 사이의 진공에 유입되지 않는다. 외부 챔버(216)는 예를 들어 1초 이하의 단시간 주기 중에 가압되며, 가장 확실한 진공 척 과정을 제공하기 위해 나타난 바와 같이, 진공 포켓이 발생된다.
연마 장치(20)는 다음과 같이 작동한다. 기판(10)은 기판의 후면이 가요성 부재(210)와 접한 상태에서 기판 수용 리세스(274) 내부로 적재된다. 펌프(149a)는 외부 챔버(216) 내부로 유체를 펌핑시킨다. 이는 외곽부(296)가 기판(10)의 엣지에서 액밀하게 밀봉을 형성하도록 한다. 동시에, 펌프(149b)는 가요성 부재(210)와 기판(10)의 후면 사이에 저압 포켓을 발생시키기 위해 중간 챔버(214)의 외부로 유체를 펌핑시킨다. 그리고 나서, 외부 챔버(216)는 정상적인 대기압으로 신속하게 복귀된다. 최종적으로, 공압식 작동기(74)는 캐리어 헤드(200)를 연마 패드(32)의 외부 또는 이송 스테이션(27)의 외부로 상승시킨다. 캐루젤(60)은 캐리어 헤드(200)를 신규한 연마 스테이션으로 회전시킨다. 공압식 작동기(74)는 기판(10)이 연마 패드(32)에 접촉할 때까지 캐리어 헤드(200)를 하강시킨다. 최종적으로, 펌프(149a-149c)는 연마를 위해 기판(10)에 하향 하중을 인가하기 위해 유체를 챔버(212, 214, 216) 내부로 가한다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (25)

  1. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드로서,
    캐리어 기저부, 및
    상기 캐리어 기저부에 연결되어 제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하는 가요성 부재를 포함하며,
    상기 가요성 부재의 하부면은, 기판 수용면에 상기 제 1 챔버와 결합된 내곽부, 상기 내부를 둘러싸고 있으며 상기 제 2 챔버와 결합되며 대체로 환형인 중간부, 및 상기 중간부를 둘러싸고 있으며 상기 제 3 챔버와 결합되며 대체로 환형인 외곽부를 제공하여, 상기 가요성 부재의 상기 내곽부, 중간부 또는 외곽부 중의 어느 하나에 가해지는 압력이 독립적으로 제어 가능하도록 구성되는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외곽부의 폭이 상기 중간부의 폭보다 현저히 좁은,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 외곽부가 약 100mm 또는 그보다 큰 외측 반지름 및 약 4 내지 20mm 사이의 폭을 가지는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가요성 부재의 외곽부의 폭이 약 10mm인,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가요성 부재가 내부 환형 플랩, 중간 환형 플랩, 및 외부 환형 플랩을 포함하며, 상기 각 플랩이 상기 캐리어 기저부의 하부면에 고정되어 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 챔버를 형성하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  6. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드로서,
    구동 샤프트에 부착 가능한 플랜지,
    캐리어 기저부,
    상기 캐리어 기저부에 연결되어 챔버를 한정하며, 하부면이 기판 수용면을 제공하는 가요성 부재, 및
    상기 플랜지를 상기 캐리어 기저부에 피봇 회전식으로 연결하는 짐벌 기구를 포함하며,
    상기 짐벌 기구는 상기 캐리어 기저부에 연결된 내부 레이스, 상기 플랜지와의 사이에 간극을 형성하기 위해 상기 플랜지에 연결된 외부 레이스, 및 상기 간극 내에 위치된 다수의 베어링을 구비하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내부 레이스 및 외부 레이스가 상기 베어링과 접하게 하기 위한 스프링을 더 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  8. 제6항에 있어서, 상기 베어링을 유지하기 위한 환형의 리테이너를 더 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  9. 제6항에 있어서, 상기 구동 샤프트로부터 상기 캐리어 기저부까지 토오크를 전달하기 위해 상기 구동 샤프트를 상기 캐리어 기저부에 연결시키는 다수의 핀을 더 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각 핀이 상기 플랜지 내의 통로를 통해 수직으로 연장되어, 각 핀의 상단부는 상기 구동 샤프트 내의 리세스 내부에 수용되며 각 핀의 하단부는 상기 캐리어 기저부의 리세스 내에 수용되는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  11. 제6항에 있어서, 상기 기판 수용면과 함께 기판 수용 리세스를 한정하기 위해 상기 캐리어 기저부에 연결되는 리테이닝 링을 더 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  12. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체로서,
    구동 샤프트,
    상기 구동 샤프트에 미끄럼 가능하게 연결되는 커플링,
    상기 구동 샤프트와 함께 회전하기 위해 상기 구동 샤프트의 하단부에 고정된 캐리어 헤드,
    상기 구동 샤프트 및 상기 캐리어 헤드의 수직 위치를 제어하기 위해 상기 구동 샤프트의 상단부에 결합되는 수직 작동기, 및
    상기 커플링에 연결되어 상기 커플링을 회전시켜 상기 구동 샤프트에 토오크를 전달하기 위한 모터를 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구동 샤프트가 구동 샤프트 하우징을 통해 연장되는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 수직 작동기 및 상기 모터가 상기 구동 샤프트 하우징에 고정되는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 커플링은 상기 구동 샤프트의 상단부를 둘러싼 상부 회전 링 및 상기 구동 샤프트의 하단부를 둘러싼 하부 회전 링을 포함하며, 상기 상부 회전 링을 상기 구동 샤프트 하우징에 회전 가능하게 연결하는 제 1 베어링 및 상기 하부 회전 링을 상기 구동 샤프트 하우징에 회전 가능하게 연결하는 제 2 베어링을 더 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 상부 및 하부 회전 링은 스플라인 너트이며, 상기 구동 샤프트는 상기 스플라인 너트를 통해 연장되는 스플라인 샤프트인,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 모터가 제 1 기어를 회전시키고, 상기 제 1 기어가 상기 상부 회전 링에 연결된 제 2 기어와 맞물리는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 조립체.
  18. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체로서,
    구동 샤프트,
    상기 구동 샤프트의 상단부를 측면으로 고정시키는 제 1 볼 베어링 조립체,
    상기 구동 샤프트의 하단부를 측면으로 고정시키는 제 2 볼 베어링 조립체, 및
    짐벌 기구에 의해 상기 구동 샤프트의 상기 하단부에 연결된 캐리어 헤드를 포함하며,
    상기 짐벌 기구는 상기 캐리어 헤드가 상기 구동 샤프트에 대해 피봇회전하도록 하며,
    상기 제 1 볼 베어링 조립체 및 제 2 볼 베어링 조립체 사이의 거리는 상기 짐벌 기구를 통해 전달되는 측면 힘이 상기 구동 샤프트를 피봇회전시키는 것을 실질적으로 방지하기에 충분한 거리인,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 챔버를 한정하는 가요성 부재를 포함하며, 상기 가요성 부재의 하부면이 기판 수용면을 제공하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  20. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체로서,
    보어, 및 중심 통로와 상기 중심 통로를 둘러싼 하나 이상의 환형 통로를 한정하기 위해 상기 보어 내에 위치된 하나 이상의 원통형 튜브를 포함하는 구동 샤프트, 및
    상기 구동 샤프트의 하단부에 연결되어 있으며, 상기 통로중의 하나에 각각 연결된 다수의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드를 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 구동 샤프트가 3개의 동심 통로를 한정하기 위해 상기 보어 내에 위치된 두 개의 동심 튜브를 포함하며, 상기 통로들이 각각 상기 챔버들 중의 하나에 연결되는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 캐리어 헤드가 상기 캐리어 기저부에 연결되어 제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하는 가요성 부재를 포함하는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  23. 제20항에 있어서, 다수의 압력 공급원, 및 상기 구동 샤프트의 상단부에 연결된 회전 유니언을 더 포함하며, 상기 회전 유니언이 상기 다수의 통로 각각에 다수의 압력 공급원을 결합시키는,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드 조립체.
  24. 화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드로서,
    독립적으로 압축 가능한 제 1, 제 2, 및 제 3 챔버,
    기판의 중심부에 제 1 압력을 인가시키기 위해 상기 제 1 챔버와 결합된 가요성 내곽부,
    상기 제 2 챔버와 결합되며 상기 기판의 중간 부분에 제 2 압력을 인가시키기 위해 상기 내곽부를 둘러싸는 실질적으로 환형인 가요성 중간부, 및
    상기 제 3 챔버와 결합되며 상기 기판의 외부에 제 3 압력을 인가시키기 위해 상기 중간부를 둘러싸는 실질적으로 환형인 가요성 외곽부를 포함하며,
    상기 외곽부가 상기 중간부보다 실질적으로 좁은,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
  25. 제24항에 있어서, 상기 내곽부, 상기 중간부, 및 상기 외곽부가 가요성 부재의 일부인,
    화학 기계식 연마 시스템 내에서 이용되는 캐리어 헤드.
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