KR100814068B1

KR100814068B1 - Ｃｍｐ 장비의 웨이퍼 연마 헤드

Info

Publication number: KR100814068B1
Application number: KR1020070031742A
Authority: KR
Inventors: 박종권; 우에다쯔또무
Original assignee: 티아이씨덕흥 주식회사
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-03-17

Abstract

본 발명은 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 웨이퍼를 흡착, 고정하는 척 플레이트 상부에 기체와 액체가 혼합되어 주입되는 2개의 압력실을 구비하여 웨이퍼에 가해지는 회전력 및 수직압력에 대해서 척 플레이트가 자유롭게 상하로 유동하게 함으로써, 미세한 진동을 흡수하고 웨이퍼의 전면에 고르게 힘이 분산되도록 하여 웨이퍼의 가공 표면을 보다 평탄화하고 정밀도를 향상시킬 수 있는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드에 관한 것이다.

본 발명에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드는 양단이 관통되어 몸체 내부에 중공부를 갖는 원통형으로 이루어지며, 상기 중공부의 내주면에 돌출부가 형성된 헤드 사이드 몸체와, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 하단으로 몸체의 일부가 삽입되며, 웨이퍼를 흡착하고 고정시키는 템플레이트가 몸체의 하면에 결합되는 척 플레이트와, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되되, 상기 척 플레이트의 상면에 소정 거리 이격되어 밀폐된 공간인 제2압력실을 형성시키며, 몸체의 상면에 제1압력실의 경로가 되는 홈이 구비되어 있는 헤드 하부 몸체와, 상기 척 플레이트의 상면 가장자리를 따라 수직으로 체결되는 다수개의 회전핀과, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되어 상기 헤드 하부 몸체의 상면과 밀착되어 결합하여 상기 제1압력실의 경로가 되는 홈을 밀폐시키며, 몸체의 상면 가장자리에 다수개의 관통구가 형성되어 있는 헤드 상부 몸체와, 상기 헤드 상부 몸체의 상면에 형성된 상기 관통구에 결합되며, 삽입된 몸체의 하부가 상기 회전핀의 상단 과 소정거리 이격되어 빈 공간을 형성시키는 다수개의 핀 커버 및 상기 헤드 상부 몸체의 상면 중앙부에 수직으로 결합되어 상기 헤드 상부 몸체에 회전력과 수직압력을 전달하는 구동축을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

CMP(Chemical Mechanical Polishing), 웨이퍼(wafer), 연마(polishing), 헤드(head), 척 플레이트(chuck plate), 템플레이트(template)

Description

ＣＭＰ 장비의 웨이퍼 연마 헤드{A wafer polishing head of a CMP device}

도 1은 일반적인 CMP 공정의 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 나타낸 사시도.

도 3은 도 2에 도시된 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 위에서 바라본 도면.

도 4는 도 3에 도시된 선 A-A'를 따라 절단한 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드의 내부 구조를 보여주는 단면도.

도 5는 도 4에 도시된 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드의 단면을 일부 확대하여 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

100 : 연마 헤드 110 : 구동축

120 : 헤드 상부 몸체 140 : 헤드 하부 몸체

150 : 헤드 사이드 몸체 160 : 회전핀

170 : 핀 커버 180 : 척 플레이트

190 : 템플레이트 192 : 흡착 패드

194 : 리테이너링 210 : 제1압력실

220 : 제2압력실

일반적으로 반도체 소자인 집적회로를 제조하는 경우에 직경 5∼10㎝의 실리콘 단결정의 얇은 판인 웨이퍼(wafer)가 사용되며, 집적도가 보다 높은 회로설계에 적용하기 위해서는 웨이퍼 상의 선(line) 폭의 미세화 및 다층(multiple layers) 배선화를 필요로 한다.

그런데, 이러한 선 폭의 미세화 및 다층 배선화를 구현하기 위해서는 하나의 층(layer)의 패턴을 제작할 때 아래층(under layer)의 평탄도(flatness)가 수 나노미터(㎚) 이하로 유지되어야 하는데, 노광(exposure) 장비의 초점심도(depth of focus) 한계로 인하여 패턴이 다층화될수록 평탄화가 유지되기 어려워진다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 웨이퍼 상에서 새로운 층을 제작하기 전에 먼저 제작된 층의 표면을 연마하여 평탄도를 확보하는 방법으로서 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 "CMP"라 함) 기술이 개발되었다.

CMP 기술은 웨이퍼의 가공할 표면을 연마 패드(polishing pad) 위에 밀착시킨 후에 연마제(abrasive) 및 화학물질이 현탁된 슬러리(slurry)를 웨이퍼와 연마 패드 사이에 주입시키고 상대적으로 운동시켜 웨이퍼의 표면을 연마함으로써 평탄화시키는 기술이다.

이와 같은 CMP 기술이 적용된 종래 기술에 따른 일반적인 CMP 공정의 메커니즘(Mechanism)을 첨부된 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 CMP 공정의 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 CMP 공정의 메커니즘은 웨이퍼(W)를 연마 패드(22)의 표면 위에 밀착한 상태에서 수백 나노미터 크기의 연마제와 화학물질이 현탁된 슬러리(52)를 공급하고, 몸체의 하부에 웨이퍼(W)가 흡착되는 연마 헤드(polishing head; 10)에 구동축(30)을 통해 회전력(R1)과 하부 방향으로의 수직압력(P)을 가하여 웨이퍼(W)의 가공 표면을 화학적으로 반응시키면서 테이블(20)과 연마 헤드(10)를 상대적으로 운동시켜 기계적으로 웨이퍼(W)의 가공 표면의 요철 부분을 평탄화함으로써, 미세한 웨이퍼(W)의 표면을 얻을 수 있으며, 넓은 면적을 가진 웨이퍼(W)의 생산이 가능하게 되었다.

위와 같은 공정의 메커니즘을 통해 웨이퍼(W)의 표면을 평탄하게 연마하는 CMP 장비에 있어서, 웨이퍼(W)와 연마 패드(22)의 접촉면에 가해지는 압력이 웨이퍼(W)의 전면에 균일하게 가해지지 않을 경우에는 웨이퍼(W)의 가공 표면이 부분적으로 불충분하게 연마되거나 과도하게 연마되어 평탄도와 정밀도가 유지될 수 없게 된다. 따라서, 웨이퍼(W)의 전면에 고른 압력이 가해지도록 종래의 CMP 장비의 연 마 헤드에는 여러 가지의 수단이 강구되었다.

종래 기술에 따른 연마 헤드에 관해서 살펴보면 다음과 같다.

우선, 연마 헤드에 구동축이 연결되는 구조에서 연마 헤드와 구동축의 몸체에 각각 반구상의 홈(concave recess)이 형성되고, 한 쌍의 반구상의 홈이 포개어진 내부 공간에 볼베어링(ball bearing)이 삽입되는 구조를 갖는 연마 헤드의 경우는 연결 부위에 불순물이 들어가거나 볼베어링의 마모로 인하여 연마 헤드로 전달되는 회전력 및 수직압력이 웨이퍼의 전면에 고르게 미치지 못하고 편향될 수 있으며, 연결 부위가 고정적이지 않아 미세한 떨림으로 인한 정밀도 저하를 야기하는 문제점을 가진다. 또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해 연결 부위에 윤활 처리 및 씰링(sealing) 처리를 하는 구조는 구동축과 연마 헤드의 연결 부위가 복잡해지는 단점이 있다.

한편, 구동축을 통해 전달받은 회전력 및 수직압력을 웨이퍼의 전면에 골고루 분산시켜 가해주기 위해 종래 기술에 따른 연마 헤드의 몸체 내부에는 탄성막으로 이루어진 에어백(air bag) 또는 에어 실린더(air cylinder)가 구비되거나, 반고체 상태의 겔(gel)이 주입되어 연마 헤드의 몸체가 상하로 움직일 수 있는 탄성층 또는 압력층이 구비되었다.

그러나, 이와 같은 종래의 연마 헤드는 탄성막이 얇은 금속판이나 탄성을 가지는 플라스틱 또는 고무 등을 재질로 하여 에어백 등이 구성되어 반복적인 연마 가공이 이루어지면 탄성막에 피로(fatigue)가 발생하고 이로 인하여 파손될 위험이 있어서 주기적으로 유지 및 보수 관리를 수행하여야 하는 단점을 가진다.

또한, 에어백 등의 내부에 공기를 주입시키는 종래의 연마 헤드는 그 내부에 웨이퍼의 가공 면적보다 넓은 면적을 가지는 에어백을 구비하거나, 작은 면적을 가압하는 다수개의 에어백을 구비하여 웨이퍼에 가해지는 압력을 전면에 골고루 분산시켜 웨이퍼의 전면에 균일하게 압력을 가해주는 것은 가능하지만, 다수개의 에어백에 모두 공기를 주입하기 때문에 구조가 복잡하고, 에어백 내부에 주입되는 공기가 가해지는 압력에 따라 부피 수축의 폭이 큰 반면에 변형에 저항하는 정도를 나타내는 강성(rigidity)이 부족하여 웨이퍼의 연마 가공시 큰 폭의 유동으로 인하여 불안정한 운동을 야기할 수 있으며, 이 때문에 가공정밀도가 저하되는 문제점을 가진다.

한편, 연마 헤드의 몸체 내부에 반고체 상태의 겔이 주입되는 경우는 겔이 공기에 비해 강성은 큰 반면에 유동성 및 수축성의 크기는 작아 웨이퍼의 연마 과정에서 발생하는 미세한 진동이나 기울어짐의 영향을 흡수하지 못하고 웨이퍼의 가공 표면에 이러한 영향을 전달하여 가공정밀도가 저하되는 문제점을 가진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 웨이퍼를 흡착, 고정하는 척 플레이트 상부에 혼합 유체가 주입되는 2개의 압력실을 구비하고, 웨이퍼에 가해지는 회전력 및 수직압력에 대하여 척 플레이트가 자유롭게 상하로 유동하게 하여 연마 과정에서 발생하는 미세한 진동을 흡수하여 웨이퍼의 평탄도와 정밀도를 향상시킬 수 있는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 연마 헤드 내부에 별도의 탄성막을 구비하거나 유압, 공압 등의 힘을 가해주지 않으면서도 웨이퍼의 평탄도 및 정밀도를 향상시킬 수 있는 간단한 구조의 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드는 양단이 관통되어 몸체 내부에 중공부를 갖는 원통형으로 이루어지며, 상기 중공부의 내주면에 돌출부가 형성된 헤드 사이드 몸체와, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 하단으로 몸체의 일부가 삽입되며, 웨이퍼를 흡착하고 고정시키는 템플레이트가 몸체의 하면에 결합되는 척 플레이트와, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되되, 상기 척 플레이트의 상면에 소정 거리 이격되어 밀폐된 공간인 제2압력실을 형성시키며, 몸체의 상면에 제1압력실을 형성하는 홈이 구비되어 있는 헤드 하부 몸체와, 상기 척 플레이트의 상면 가장자리를 따라 수직으로 체결되는 다수개의 회전핀과, 상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되어 상기 헤드 하부 몸체의 상면과 밀착되어 결합하여 상기 제1압력실을 형성하는 홈을 밀폐시키며, 몸체의 상면 가장자리에 다수개의 관통구가 형성되어 있는 헤드 상부 몸체와, 상기 헤드 상부 몸체의 상면에 형성된 상기 관통구에 결합되며, 삽입된 몸체의 하부가 상기 회전핀의 상단과 소정거리 이격되어 빈 공간을 형성시키는 다수개의 핀 커버 및 상기 헤드 상부 몸체의 상면 중앙부에 수직으로 결합되어 상기 헤드 상부 몸체에 회전력과 수직압력을 전달하는 구동축을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드를 위에서 바라본 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드(100)의 외부 구성을 살펴보면, 외부의 구동장치로부터 회전력(R1)과 수직압력(P)을 전달받아 연마 헤드(100)에 전달하는 구동축(shaft; 110)과, 구동축(110)의 하단부가 몸체의 상면 중앙에 결합되고, 다수개의 핀 커버(pin cover; 170)가 몸체의 상면 가장자리에 환형으로 배치되어 결합되는 헤드 상부 몸체(head upper body; 120)와, 상하 양단이 개방된 원통형의 몸체로 이루어져 개방된 상단으로 헤드 상부 몸체(120)가 끼워지는 헤드 사이드 몸체(head side body; 150)와, 헤드 사이드 몸체(150)의 개방된 하단으로 몸체의 일부가 삽입되어 헤드 사이드 몸체(150)와 상대적으로 상하 운동을 하는 척 플레이트(chuck plate; 180)와, 척 플레이트(180)의 하면에 부착되어 웨이퍼를 흡착 및 고정시키는 템플레이트(template; 190)를 포함하여 구성된다.

구동축(110)은 CMP 장비에 있어서 웨이퍼 연마 헤드(100)에 동력을 전달하는 기구이며, 구동축(110)의 상단은 동력원인 구동장치와 연결되고, 하단은 연마 헤드(100)에 연결된다.

구동장치는 회전이 가능한 구조로 이루어져 구동축(110)을 회전시키고 상하로 움직이는데, 구동축(110)이 상하로 움직이는 힘이 연마 헤드(100)를 하부로 이동시켜 테이블(20; 도1참조)의 연마 패드(22; 도1참조)에 밀착시키는 힘이 되며, 이 힘은 결국 연마 헤드(100)에 가해지는 수직압력(P)이 된다.

구동축(110)의 하단면에는 헤드 상부 몸체(120)가 용접, 나사, 끼워맞춤 등의 방법으로 일체형이 되도록 결합되는데, 본 실시예에서는 나사체결을 통해 구동축(110)과 헤드 상부 몸체(120)가 결합된다.

헤드 상부 몸체(120)는 원형 단면을 가지는 판 형태로서 알루미늄(Aluminum)을 재질로 하는 금속으로 이루어진다. 헤드 상부 몸체(120)의 상면 가장자리에는 그 둘레를 따라 일정한 간격으로 다수개의 핀 커버(170)가 결합될 수 있도록 원형 단면의 관통구가 형성된다.

핀 커버(170)는 연마 헤드(100)의 몸체 내부에 결합되어 외관상으로 보이지 않는 회전핀(160)의 상부를 덮는 덮개역할을 하는데, 회전핀(160)은 핀 커버(170)의 하부에 수직으로 일직선이 되도록 위치한다.

한편, 핀 커버(170)와 회전핀(160)은 동일한 개수로 이루어지는데 구동축(110)으로부터 전달된 회전력(R1)은 회전핀(160)에 의해서 척 플레이트(180)로 전달되기 때문에 원활하게 회전력을 전달하기 위해서 회전핀(160)이 최소 6개 이상이 되도록 구성되며, 본 실시예에서는 8개의 회전핀(160)이 사용되어, 결국 핀 커버(170)도 8개가 사용된다.

핀 커버(170)와 이에 대응하는 회전핀(160)은 소정거리 이격되어 다수개의 빈 공간(S1)을 형성하는데, 이와 같이 핀 커버(170)의 개수와 동일한 개수로 핀 커버(170)의 하부에 형성된 다수개의 빈 공간(S1)은 인접한 빈 공간끼리 서로 관통될 수 있도록 연마 헤드(100) 내부에 구비된 경로와 연결되어 제1압력실(210)을 구성한다.

제1압력실(210)은 구동축(110)으로부터 헤드 상부 몸체(120)의 중앙부에 가해진 회전력(R1)과 수직압력(P)을 연마 헤드(100)의 전 부분으로 분산시켜 전달해주는 공간으로서, 제1압력실(210)의 내부에는 기체와 액체가 혼합되어 주입되는데, 핀 커버(170)를 개방하여 주입할 수 있다.

제1압력실(210)에 혼합 유체가 주입되는 이유는 단순하게 기체만이 주입되어 유동시 강성이 부족하거나 반고체 상태의 겔 또는 액체가 주입되어 유동성이 부족한 점을 보완하기 위해서이다.

헤드 사이드 몸체(150)는 연마 헤드(100)의 측면 몸체로서, 상하의 양단이 개방된 원통형으로 구성되며, 개방된 상단과 하단 부분으로 각각 헤드 상부 몸체(120)와 척 플레이트(180)가 삽입된다.

척 플레이트(180)의 하부에는 웨이퍼가 흡착되고, 흡착된 웨이퍼가 이탈되지 않도록 고정시켜 주는 템플레이트(190)가 결합된다.

도 4는 도 3에 도시된 선 A-A'를 따라 절단한 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드(100)의 내부 구조를 살펴보면, 연마 헤드(100)는 양단이 관통되어 몸체 내부에 중공부를 갖는 원통형으로 이루어져 연마 헤드(100)의 측면 몸체를 구성하되, 중공부의 내주연을 따라 돌출부(152)가 형성된 헤드 사이드 몸체(150)와, 헤드 사이드 몸체(150)의 하단으로 몸체의 일부가 삽입되며, 웨이퍼(W)가 흡착되는 흡착 패드(192)와, 웨이퍼(W)의 측면을 감싸 고정시키는 리테이너링(retainer ring; 194)으로 구성된 템플레이트(190)가 하면에 결합하는 척 플레이트(180)와, 헤드 사이드 몸체(150)의 상단으로 몸체 전체가 삽입되며 몸체의 하면이 척 플레이트(180)의 상부와 소정 거리 이격되어 그 사이 공간에 혼합 유체가 주입될 수 있는 제2압력실(220)을 형성하고, 상면에 제1압력실(210)을 위한 경로가 되는 홈이 형성되어 있는 헤드 하부 몸체(140)와, 헤드 사이드 몸체(150)의 하단으로 삽입된 척 플레이트(180)의 상면 가장자리를 따라 수직으로 체결되어 헤드 사이드 몸체(150)와 헤드 하부 몸체(140)가 이탈되지 않도록 하는 다수개의 회전핀(160)과, 헤드 사이드 몸체(150)에 상단으로 삽입되어, 헤드 하부 몸체(140)의 상면에 형성된 홈을 밀폐시키는 헤드 상부 몸체(120)와, 헤드 상부 몸체(120)의 상면 가장자리에 형성된 관통구에 몸체가 삽입되어 제1압력실(210)을 밀폐시키는 다수개의 핀 커버(170) 및 헤드 상부 몸체(120)의 상면 중앙부에 결합되어 회전력(R1)과 수직압력(P)을 가하는 구동축(110)을 포함하여 구성된다.

헤드 사이드 몸체(150)는 연마 헤드(100)의 전체를 지지하고 회전시키는 역할을 한다. 헤드 사이드 몸체(150)는 상하 양단이 개방된 원통형으로 이루어지되, 몸체 내부의 중공부에는 내주연을 따라 돌출부(152)가 형성된다. 돌출부(152)는 회전핀(160)의 몸체부(164) 측면에 부착되는 부분으로서 몸체부(164)의 상하 길이방 향을 따라 헤드 사이드 몸체(150)가 이탈되지 않고 상하로 움직일 수 있도록 안내하는 부분이다.

척 플레이트(180)는 연마 헤드(100)에서 웨이퍼(W)가 부착되는 부분으로서 원통형의 몸체를 가지며, 헤드 사이드 몸체(150)의 개방된 하단으로 몸체의 일부가 삽입된다. 이때, 헤드 사이드 몸체(150)의 하단에 형성된 개방면의 직경과 척 플레이트(180)의 원통형 몸체의 직경은 동일하다.

한편, 척 플레이트(180)의 하면에는 웨이퍼(W)를 흡착하는 흡착 패드(192)와 웨이퍼(W)가 척 플레이트(180)에서 이탈되지 않도록 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸 잡아주는 리테이너링(194)으로 이루어진 템플레이트(190)가 결합된다.

웨이퍼(W)는 흡착 패드(192)의 면과 수분에 의한 표면장력(surface tension)의 힘으로 흡착되며, 리테이너링(194)에 의해서 웨이퍼(W)의 외부 둘레가 감싸져 연마 가공시에도 웨이퍼(W)가 척 플레이트(180)에서 쉽게 분리되지 않는다.

헤드 하부 몸체(140)는 척 플레이트(180)가 헤드 사이드 몸체(150)의 하단으로 삽입된 상태에서 헤드 사이드 몸체(150)의 상단으로 삽입되는데, 헤드 하부 몸체(140)의 하면과 척 플레이트(180)의 상면은 바로 접촉하지 않고 그 사이에 액체와 기체가 혼합된 유체를 주입시켜 헤드 하부 몸체(140)와 척 플레이트(180)가 소정거리 이격되는 제2압력실(220)을 형성시킨다.

제2압력실(220)의 내부에 주입되는 혼합 유체의 유동을 통한 헤드 사이드 몸체(150)와 척 플레이트(180)의 상대적인 움직임으로 웨이퍼(W)의 전면에 균일한 힘을 전달하고, 연마 가공시 발생하는 미세한 진동 등을 흡수할 수 있다.

제2압력실(220)에 혼합 유체를 주입하거나 혼합 유체의 양 및 비율의 조절은 헤드 사이드 몸체(150)의 일측면에 형성된 주입구(미도시)를 통해서 가능하다.

헤드 하부 몸체(140)의 하부는 헤드 사이드 몸체(150)의 돌출부(152)와 같은 두께로 면적이 더 넓게 구성된 안내부(142)가 형성되며, 안내부(142)는 회전핀(160)의 몸체부(162)에 밀착된다.

또한, 헤드 하부 몸체(140)의 상면에는 제1압력실(210)을 이루는 홈이 형성되어 있으며, 회전핀(160)의 상단과 핀 커버(170)의 하부가 이격되어 형성된 빈 공간과 연결되어 제1압력실(210)이 형성된다.

즉, 다수개의 회전핀(160) 및 핀 커버(170)에서 형성된 빈 공간은 헤드 하부 몸체(140)의 상면에 형성된 홈에 의해서 모두 연결된다.

핀 커버(170)는 헤드 상부 몸체(120)와 헤드 사이드 몸체(150)의 상면에 노출되어 결합되는 머리부(172)와, 헤드 상부 몸체(120)의 관통된 구멍으로 삽입되는 결합부(174)로 이루어진다. 이때, 결합부(174)의 두께는 헤드 상부 몸체(120)의 두께와 동일하다.

도 5는 도 4에 도시된 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드의 단면을 일부 확대하여 나타낸 도면이며, 이를 통해 다수개의 회전핀(160)이 결합된 척 플레이트(180)의 상하 구동을 알 수 있다.

다수개의 회전핀(160)은 연마 헤드(100)에 가해지는 회전력(R1)을 척 플레이트(180)에 전달하는 역할을 한다. 회전핀(160)은 헤드 사이드 몸체(150)의 돌출부(152)와 헤드 하부 몸체(140)의 안내부(142)를 누르는 머리부(162)와, 돌출 부(152)와 안내부(142)가 양측에서 밀착되어 상하 운동시 안내하는 몸체부(164)와, 척 플레이트(180)에 삽입되어 회전핀(160)을 고정시키는 체결부(166)로 구성된다.

즉, 다수개의 회전핀(160)에 있어서 각각의 회전핀(160)의 몸체 하부를 구성하는 체결부(166)를 통해 척 플레이트(180)와 결합되며, 몸체부(164)의 양측면으로 헤드 하부 몸체(140)와 헤드 사이드 몸체(150)가 접촉하고, 머리부(166)를 통해 헤드 사이드 몸체(150)의 돌출부(152)와, 헤드 하부 몸체(140)의 안내부(142)를 상부에서 눌러준다.

헤드 상부 몸체(120)는 헤드 하부 몸체(140)의 상면에 밀착되어 결합되며, 상면 중앙에 구동축(110)이 결합된다.

헤드 상부 몸체(120)에는 핀 커버(170)가 나사 등의 결합방식으로 부착되는데, 핀 커버(170)는 개폐가 가능하며 연결부위는 씰링(sealing) 처리가 되어있다.

제1압력실(210)과 제2압력실(220)에 주입되는 혼합 유체로서 기체인 공기와 점성을 지닌 액체가 혼합되어 사용된다.

액체와 기체의 혼합 유체를 사용하는 이유는 압력실에 순수한 액체만을 주입하여 사용할 경우에는 하부에 가해지는 압력 및 구동시 발생하는 진동 등에 대해서 유동성이 적어 척 플레이트(180)에 고르게 힘을 분산시킬 수 없으며, 순수하게 기체만을 주입하는 경우에는 가해지는 압력에 의한 부피의 수축이 너무 커서 힘이 분산되더라도 일측으로 편향되게 힘이 웨이퍼(W))에 가해질 수 있기 때문이다.

이와 같이 본 발명에 따른 연마 헤드(100)는 상하로 위치하며 혼합 유체가 주입되는 한 쌍의 제1압력실(210) 및 제2압력실(220)을 구비하고, 회전력(R1) 및 수직압력(P)이 가해졌을 때 한 쌍의 압력실(210, 220)의 부피가 유동적으로 변하여 상대적으로 헤드 사이드 몸체(150)와 척 플레이트(180)가 상하로 움직일 수 있는 댐퍼(damper) 구조를 이룸으로써, 연마 헤드(100)에 가해지는 회전력(R1)과 수직압력(P)을 웨이퍼(W)에 고르게 분산시켜 전달하며, 연마 헤드(100) 구동시 발생하는 미세한 진동 등을 상쇄시키는 역할을 수행한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드는 몸체 내부에 상, 하로 구비된 두 개의 압력실을 구비하고, 각각의 압력실 내부에 기체와 액체가 혼합된 유체를 주입하여 연마 헤드에 가해지는 회전력과 하부 압력을 고르게 분산시키고, CMP 장비의 구동시 발생하는 미세한 진동을 흡수하고 기울어짐을 제어하여 웨이퍼에 가해지는 회전력 및 수직압력을 웨이퍼의 모든 면에 고르게 전달시켜 웨이퍼의 평탄도 및 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 간단한 구조로 이루어져 별도의 탄성막을 구비하거나 유압, 공압 등의 힘을 가하지 않고서도 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

웨이퍼의 표면을 평탄하게 연마하는 CMP 장비에 있어서,

양단이 관통되어 몸체 내부에 중공부를 갖는 원통형으로 이루어지며, 상기 중공부의 내주면에 돌출부가 형성된 헤드 사이드 몸체와;

상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 하단으로 몸체의 일부가 삽입되며, 웨이퍼를 흡착하고 고정시키는 템플레이트가 몸체의 하면에 결합되는 척 플레이트와;

상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되되, 상기 척 플레이트의 상면에 소정 거리 이격되어 밀폐된 공간인 제2압력실을 형성시키며, 몸체의 상면에 제1압력실의 경로가 되는 홈이 구비되어 있는 헤드 하부 몸체와;

상기 척 플레이트의 상면 가장자리를 따라 수직으로 체결되는 다수개의 회전핀과;

상기 헤드 사이드 몸체의 개방된 상단으로 삽입되어 상기 헤드 하부 몸체의 상면과 밀착되어 결합하여 상기 제1압력실의 경로가 되는 홈을 밀폐시키며, 몸체의 상면 가장자리에 다수개의 관통구가 형성되어 있는 헤드 상부 몸체와;

상기 헤드 상부 몸체의 상면에 형성된 상기 관통구에 결합되며, 삽입된 몸체의 하부가 상기 회전핀의 상단과 소정거리 이격되어 빈 공간을 형성시키는 다수개의 핀 커버; 및

상기 헤드 상부 몸체의 상면 중앙부에 수직으로 결합되어 상기 헤드 상부 몸체에 회전력과 수직압력을 전달하는 구동축;

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 헤드 하부 몸체의 하부는 상부보다 직경이 큰 원형 단면으로 이루어지며, 상기 헤드 사이드 몸체의 상기 돌출부와 동일한 두께의 안내부가 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 제1압력실은 상기 회전핀 및 상기 핀 커버의 이격으로 형성된 빈 공간 및 상기 헤드 상부 몸체의 상면에 형성된 홈이 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 제1압력실 및 상기 제2압력실의 내부에는 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 주입되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드.
제 2항에 있어서,

상기 회전핀은 상기 헤드 사이드 몸체의 상기 돌출부와, 상기 헤드 하부 몸체의 상기 안내부를 누르는 머리부와;

상기 돌출부와 상기 안내부가 양측에서 밀착되며 상기 회전핀과 상기 헤드 사이드 몸체의 상하 운동을 안내하는 몸체부; 및

상기 척 플레이트에 삽입되어 상기 회전핀을 고정시키는 체결부;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CMP 장비의 웨이퍼 연마 헤드.