KR101022277B1 - 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드 - Google Patents

실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드 Download PDF

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    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
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Abstract

본 발명은 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것으로서, 샤프트(S)의 하강이동에 따라 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 틸팅가능하게 결합되며 상기 샤프트(S)의 하강에 의해서 가해지는 압력을 하부로 전달하는 캐리어 헤드 하우징(100)과, 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단에 체결되어 상기 실리콘 베어 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드 하우징(100)으로부터 이탈되지 않도록 지지하며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 하강에 따른 압력에 의해 연마패드(700)에 밀착되는 리테이너링(200)과, 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 상기 리테이너링(200)과 독립적으로 수직 승강이동되도록 결합되며, 하부면에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 흡착 지지하는 탄성 고무체(400)가 고정되는 가압 플레이트(300)를 포함하여 구성된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다.
따라서, 연마패드에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시켜 가장자리를 포함한 실리콘 베어 웨이퍼(W) 전체를 균일하게 연마할 수 있는 효과가 있다.
실리콘 베어 웨이퍼, 캐리어 헤드, 리테이너링, 가압 플레이트, 탄성 고무체

Description

실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드{CARRIER HEAD STRUCTURE FOR POLISHING APPARATUS OF SILICON BARE WAFERS}
본 발명은 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 설명하면, 리테이너링에 가해지는 압력과 가압 플레이트의 탄성 고무체를 통해 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력을 각각 독립적으로 조절하고, 리테이너링과 연마 패드가 평행이 아닌 경우에 연마 장치의 샤프트에 대해서 평행 정렬 틸팅 유니트가 틸팅되어 기울어짐으로써 리테이너링과 연마 패드가 평행이 되도록 함으로써 연마 패드에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시켜 가장자리를 포함한 실리콘 베어 웨이퍼(W) 전체를 균일하게 연마할 수 있는 구조로 된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 화학적 기계적 연마는 연마 패드를 이용하는 기계적 연마와 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 슬러리 용액을 이용하는 화학적 연마에 의해 웨이퍼의 표면을 연마하는 기술이다.
최근 들어 반도체 칩의 고밀도, 고기능화 및 배선구조의 다층화에 따라 웨이퍼의 표면 높이의 차이가 점차 증가하고 있다. 웨이퍼의 표면 높이 차이가 발생함에 따라서 원재료인 실리콘 베어 웨이퍼(silicon bare wafers)에서의 평탄화 정도도 수반되어야 하는 기술적 문제를 안고 있다. 이러한 문제는 웨이퍼의 대구경화에 따른 웨이퍼의 중심부와 가장자리 간의 평탄도가 심화되고 있으며 특히, 웨이퍼의 가장자리에 대한 연마량을 제어하기 위한 여러 가지 방법들이 시도되고 있다. 이와 같이 표면 높이의 차이가 발생한 실리콘 베어 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위해 화학적 연마와 기계적 연마를 동시에 수행하는 화학적 기계적 연마(CMP : CHEMICAL MECHANICAL POLISHING) 장치가 사용되고 있다.
화학적 기계적 연마 장치는 실리콘 베어 웨이퍼가 장착되는 캐리어 헤드와 연마 패드가 구비되는 연마 정반으로 이루어진다. 연마 정반과 캐리어 헤드는 독립적으로 회전되고, CMP 슬러리가 연마 패드에 공급된다. 캐리어 헤드에 의해서 실리콘 베어 웨이퍼에 사전에 설정된 압력이 가해진다.
기계적 연마에 있어서 웨이퍼 표면의 제거속도는 웨이퍼에 가해지는 압력과 회전속도에 비례한다. 화학적 기계적 연마장치와 같이 화학적인 작용이 부가된 연마에서는, 여기에 웨이퍼 표면과 슬러리의 화학반응이 부가된다. 웨이퍼 표면의 모든 위치에 대해서 웨이퍼에 가해지는 압력, 회전속도, 슬러리의 양, 연마온도 등을 균일하게 할 수 있다면, 광역 평탄화 및 실리콘 웨이퍼 두께의 균일화를 달성할 수 있을 것이다. 그러나, 실제로는 앞에서 서술한 인자나 연마 패드의 상태가 위치와 시간에 따라 변화한다. 따라서 실리콘 웨이퍼의 두께가 불균일하게 된다.
도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 단면도이다.
도 1로 나타낸 바와 같이, 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(910)는 하우징(914)에 장착되는 웨이퍼 캐리어(920), 웨이퍼 캐리어(920)의 하부에 장착되어 웨이퍼(W)를 고정하는 탄성 고무체(924) 및 웨이퍼 캐리어(920)에 장착되고 웨이퍼 지지면의 적소에 웨이퍼(W)를 유지하도록 형성된 리테이너링(922)을 구비한다. 웨이퍼 캐리어(920)는 상기 하우징(914)에 상하 이동이 가능하게 장착되며, 연마 작업시에 웨이퍼 캐리어(920)에 가해지는 압력이 웨이퍼 캐리어(920)의 하면에 결합되어 있는 리테이너링(922)에 전달되는 구조이다.
상술한 바와 같이 구성된 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(910)는, 웨이퍼 캐리어와 하우징의 내부에 의해 형성되는 공간에 공급되는 기체에 의해 발생된 압력이 웨이퍼 캐리어(920)에 가해지는 압력과 탄성 고무체와 웨이퍼 캐리어 사이의 공간에 공급되는 기체에 의해 발생된 압력이 탄성 고무체(924)에 가해지는 압력에 의해 웨이퍼(W)가 연마패드(990)와 밀착되고, 리테이너링(922) 또한 웨이퍼 캐리어(20)에 가해지는 압력에 의해 연마패드(990)와 밀착된 상태에서 상기 웨이퍼를 연마한다.
그러나, 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(910)는 리테이너링(922)에 가해지는 압력과 웨이퍼(W)에 가해지는 압력이 모두 웨이퍼 캐리어(920)에 가해지는 압력에 영향을 받는 구조이기 때문에, 리테이너링(922)에 가해지는 힘을 적절히 조절할 경우에만 연마패드(990)에 웨이퍼를 균일하게 밀착시킬 수 있으나, 리테이너링(922)에 가해지는 압력은 웨이퍼(W)에 가해지는 압력에도 영 향을 미치기 때문에 압력을 적절히 조절하기가 어려운 문제점 즉, 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(910)는 리테이너링(922)에 가해지는 압력과 웨이퍼(W)에 가해지는 압력을 독립적으로 조절할 수 없기 때문에, 리테이너링(922)에 가해지는 힘을 적절히 조절하여 연마패드(990)에 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시키기 어려워 웨이퍼의 중심부의 연마 정도와 가장자리(edge)의 연마 정도가 불균일하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(910)는 리테이너링(922)의 하부 마모 또는 탄성 고무체(924)의 마모시에 리테이너링(922)과 탄성 고무체(924)를 모두 탈거해 교체해야 하는 구조이기 때문에, 교체가 번거롭고 교체에 따른 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 리테이너링에 가해지는 압력과 가압 플레이트(300)의 탄성 고무체(400)를 통해 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력을 각각 독립적으로 조절함으로써 연마 패드에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시켜 가장자리를 포함한 실리콘 베어 웨이퍼(W) 전체가 균일하게 연마되는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 리테이너링의 손상되거나 마모된 커버링 및 연마링만을 분해 및 조립하여 교체를 용이하게 할 수 있는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가압 플레이트의 제3 가압 플레이트에 감싸 끼워진 탄성 고무체가 마모되어 교체할 경우에는 제1 가압 플레이트가 고정된 상태에서 상기 제2 가압 플레이트와 제3 가압 플레이트를 분리해 탄성 고무체를 용이하게 교체할 수 있는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 이러한 목적은 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 연마패드(700)에 의해 연마되도록 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치의 승강이동되는 샤프트(S)에 캐리어 헤드 하우징(100)이 어댑터(10)에 의해 연결되는 캐리어 헤드로서, 상기 샤프트(S) 의 하강이동에 따라 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 틸팅가능하게 결합되며, 상기 샤프트(S)의 하강에 의해서 가해지는 압력을 하부로 전달하는 캐리어 헤드 하우징(100)과, 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단에 체결되어 상기 실리콘 베어 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드 하우징(100)으로부터 이탈되지 않도록 지지하며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 하강에 따른 압력에 의해 연마패드(700)에 밀착되는 리테이너링(200)과, 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 상기 리테이너링(200)과 독립적으로 수직 승강이동되도록 결합되며, 하부면에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 흡착 지지하는 탄성 고무체(400)가 고정되는 가압 플레이트(300)를 포함하여 구성된 본 발명에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드에 의하여 달성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드는 리테이너링에 가해지는 압력과 가압 플레이트(300)의 탄성 고무체(400)를 통해 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력을 각각 독립적으로 조절함으로써 연마 패드에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시켜 가장자리를 포함한 실리콘 베어 웨이퍼(W) 전체가 균일하게 연마되는 효과가 있다.
또한, 리테이너링과 연마 패드가 평행이 아닌 경우에 연마 장치의 샤프트에 대해서 평행 정렬 틸팅 유니트가 틸팅되어 기울어짐으로써 리테이너링과 연마 패드가 평행이 되어 연마패드에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 균일하게 밀착시켜 가장자 리를 포함한 실리콘 베어 웨이퍼(W) 전체를 균일하게 연마할 수 있는 효과가 있다.
또한, 리테이너링의 손상되거나 마모된 커버링 및 연마링만을 분해 및 조립하여 교체를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 가압 플레이트의 제3 가압 플레이트에 감싸 끼워진 탄성 고무체가 마모되어 교체할 경우에는 제1 가압 플레이트가 고정된 상태에서 상기 제2 가압 플레이트와 제3 가압 플레이트를 분리해 탄성 고무체를 용이하게 교체할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드가 도시되어 있다.
도 2a는 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드가 하강되어 실리콘 베어 웨이퍼가 연마되는 상태를 도시한 단면도, 도 2b는 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드가 연마 종료되어 상승된 상태를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 평행 정렬 틸팅 유니트를 확대하여 도시한 확대 단면도이다.
도 2a 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이 퍼 연마장치용 캐리어 헤드는 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 연마패드(700)에 의해 연마되도록 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치의 승강이동되는 샤프트(S)에 캐리어 헤드 하우징(100)이 어댑터(10)에 의해 연결되는 캐리어 헤드로서, 캐리어 헤드 하우징(100), 리테이너링(200), 가압 플레이트(300) 및 탄성 고무체(400)를 포함하여 구성된다.
상기 캐리어 헤드 하우징(100)은 본체부(110)와 본체부(110)로부터 하방의 연마패드(700) 방향으로 연장된 둘레부(120)로 형성되어, 상기 샤프트(S)의 하강이동에 따라 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 틸팅가능하게(기울어질 수 있게) 결합되며, 상기 샤프트(S)의 하강에 의해서 가해지는 압력을 하부로 전달한다.
상기 리테이너링(200)은 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단에 체결되어 상기 실리콘 베어 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드 하우징(100)으로부터 이탈되지 않도록 지지하며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 하강에 따른 압력에 의해 연마패드(700)에 밀착된다.
상기 가압 플레이트(300)는 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 상기 리테이너링(200)과 독립적으로 수직 승강이동되도록 결합되며, 하부면에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 흡착 지지하는 탄성 고무체(400)가 고정된다.
그리고, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)과 샤프트(S)를 연결하는 어댑터(10)와 캐리어 헤드 하우징(100) 중심부 사이 빈 공간부(살빼기부)에는 평행 정렬 틸팅 유니트(500)가 장착된다.
상기 평행 정렬 틸팅 유니트(500)는 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110) 하부의 중앙 부분에 상기 샤프트(S)의 하강이동시 캐리어 헤드 하우징(100)이 연마패드(700)면과 평행하게 정렬(유지)되도록 틸팅된다.
즉, 샤프트(S)와 연마패드(700)가 수직을 이루지 않는 경우 및 연마패드(700)면이 오랜 사용으로 편마모되어 캐리어 헤드 하우징(100) 하부의 실리콘 베어 웨이퍼(W) 연마면과의 접촉면이 평행을 이루지 못하고 기울어진 경우에도 캐리어 헤드 하우징(100) 하부면과 연마패드(700)면이 수평을 이루도록 평행 정렬(캐리어 헤드가 연마패드와 평행하게 정렬)되며, 샤프트(S)에서 가해지는 압력이 캐리어 헤드에 균일하게 분배된다.
상기 평행 정렬 틸팅 유니트(500)는 일측이 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 나사 체결되는 로드(rod)축(510)과, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)에 고정되는 조인트 플레이트(16) 일측에 나사 체결되는 버팀축(홀더링)(530)과, 상기 로드축(510)과 버팀축(530)의 사이에 틸팅가능하게 결합되는 평행 정렬 틸팅부재(520)로 구성되어, 샤프트(S)와 결합되어 있는 어댑터(10) 하부면에 체결된다.
즉, 상기 평행 정렬 틸팅 유니트(500)를 고정하고 지지하는 조인트 플레이트(16)는 어댑터(10)와 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)를 평행 정렬 틸팅 유니트(500)로 연결하여 샤프트(S), 어댑터(10), 평행 정렬 틸팅 유니트(500)와 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)를 결합하게 한다. 즉, 상기 조인트 플레이트(16)는 일측은 평행 정렬 틸팅 유니트(500)의 버팀축(530)에 볼트고정되고, 타측은 조인트 플레이트 고정볼트(17)로 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)에 고 정된다.
따라서, 상기 평행 정렬 틸팅부재(520)에 의해 샤프트(S)의 하강이동시 캐리어 헤드 하우징(100)이 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 틸팅되어 샤프트(S)의 하강에 의해 가해지는 압력이 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)에 균일하게 분배되어 연마패드(700)면에 균일하게 전달된다.
상기 평행 정렬 틸팅부재(520)는 상기 로드 축(510)을 환상으로 감싸도록 결합되며 외면이 볼록구면으로 형성된 축베어링(523)과, 상기 버팀축(530)에 지지되도록 결합되며 내면이 상기 축베어링(523)의 볼록구면에 틸팅가능하게 면접되는 오면구면이 형성된 틸팅베어링(525)으로 구비된다.
한편, 상기 평행 정렬 틸팅 유니트(500)는 하나의 부품들을 조립, 가공 제작하여 짐벌 연결(gimbal joint) 또는 유니버설 조인트(universal joint) 방식으로 그 기능을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 가압 플레이트(300) 상부면 일측에 관통 형성된 관통공(314)에 체결 고정되는 수직 승강 베어링(620)과, 상기 가압 플레이트(300) 상부면의 수직 승강 베어링(620)을 통과해 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부면에 일측이 나사 체결 고정되는 가이드 축핀(Guide Pin)(600)을 더 포함하여 구성된다. 따라서, 상기 가압 플레이트(300)가 캐리어 헤드 하우징(100)의 중앙부 하부에서 가이드 축핀(600)을 따라 수직 승강이동된다. 즉, 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부면과 가압 플레이트(300) 사이에 가이드 축핀(600)을 포함한다.
미설명부호 323은 가압 플레이트(300) 상부면 일측에 관통 형성된 관통공(314)에 체결되어 하부로 노출된 체결볼트의 하부 노출부분이 삽입되는 가이드공이다. 따라서 후술하는 제3 가압 플레이트(330)에 감싸 끼워진 탄성 고무체(400)가 마모되어 교체할 경우에는 캐리어 헤드 하우징(100) 하부에 고정된 상태에서 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리해 교체할 수 있다.
상기 캐리어 헤드 하우징(100) 내측 하단면에 일측이 나사 고정된 가이드 축핀(600)은 후술하는 제1 가압 플레이트(310)에 체결된 수직 승강 베어링(620) 사이에 위치하며, 수직으로만 승강이동 가능하게 가이드 축 역할을 한다.
상기 가이드 축핀(600)은 가압 플레이트(300)가 캐리어 헤드 하우징(100) 내부에서 후술하는 제1 챔버(40)에 정압(하강)을 설정하면 가압 플레이트(300)가 수평을 이루면서 하강하고, 제1 챔버(40)에 부압(상승)을 설정하면 가압 플레이트(300)가 상승하면서 수평을 이루지 못 하고 한쪽으로 치우침을 방지하여 수직 상승할 수 있도록 가이드한다.
상기 가압 플레이트(300)의 상부에는 탄성의 주름 환형 가압시트(30)의 외측 테두리가 끼워져 밀폐 고정되는 위치제어링(20)이 결합되며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부에는 상기 주름 환형 가압시트(30)의 내측 테두리가 끼워져 밀폐 고정되어, 상기 가압 플레이트(300)의 상부면과 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부면 사이에는 밀폐된 제1 챔버(40)가 형성된다.
상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부에는 상기 주름 환 형 가압시트(30)의 내측 테두리가 본체부 고정 조인트링(37)에 의해 끼워져 밀폐 고정되고, 상기 가압 플레이트(300) 상부의 위치제어링(20)에는 상기 주름 환형 가압시트(30)의 외측 테두리가 위치제어링 고정 조인트링(35)에 의해 끼워져 밀폐 고정된다. 즉, 제1 챔버(40)는 주름 환형 가압시트(30), 캐리어 헤드 하우징(100)의 내부면, 위치제어링(20) 및 가압 플레이트(300)의 상부에 의해서 둘러싸여져 밀폐 형성된다.
그리고, 상기 제1 챔버(40)에 연결된 제1 챔버 기체 통로(114)를 통해서 공급되는 기체의 정압(하강) 또는 부압(상승)에 의해서 가압 플레이트(300)가 수직 승강이동된다.
이때, 상기 위치제어링(20)은 상기 가압 플레이트(300)의 직경 보다 크게 형성되어 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 둘레부(120)에 결합된 리테이너링(200)의 연결링(210)에 의해서 하강 방향으로의 움직임이 제한(스톱)되며, 상승 방향으로의 움직임은 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)에 의해서 움직임이 제한된다.
즉, 상기 가압 플레이트(300)의 수직이동범위는 상기 위치제어링(20)에 의해 제한된다.
그리고, 상기 가압 플레이트(300)의 하부면과 탄성 고무체(400) 사이에는 밀폐된 제2 챔버(50)가 형성되고, 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)와 가압 플레이트(300)를 관통하여 제2 챔버(50)에 연결된 제2 챔버 기체 통로(116)를 통해서 공급되는 기체의 정압(하강) 또는 부압(상승)에 의해서 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 연마패드(700)에 가압 연마 또는 분리한다.
즉, 제2 챔버(50)에 공급되는 정압 또는 부압의 기체 압력을 조절함으로서 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 연마패드(700)에 대해서 가압하는 압력을 조절하게 된다.
그리고, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)를 관통하는 제1 챔버 기체 통로(114)와 제2 챔버 기체 통로(116)가 형성되어 있다. 기체 통로(114, 116)를 통해서 캐리어 헤드 하우징(100) 내부에 형성된 제1 및 제2 챔버(40, 50)에 정압 또는 부압의 기체를 공급할 수 있다.
따라서, 상기 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력은 제1 및 제2 챔버 기체 통로(114, 116)를 통해서 공급되는 기체의 압력에 의해서 조절된다.
즉, 상기 샤프트(S)에서 가해지는 압력은 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)와 둘레부(120)를 통해서 리테이너링(200)에만 가해지게 되고, 리테이너링(200)은 화학적 기계적 연마가 진행되는 동안 캐리어 헤드의 하부에 위치하는 실리콘 베어 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하는 역할을 한다. 따라서 리테이너링(200)에 가해지는 압력과 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력 조절이 용이하다는 장점이 있다.
도 2a에 도시된 P1은 리테이너링이 하강(다운)되어 연마패드에 접촉되어 압력이 가해지는 첫 순서를 나타낸 화살표, 두 번째 순서의 P2는 제1 챔버에 정압이 가해져 실리콘 베어 웨이퍼 전체를 누르는 압력이 가해지는 화살표이고, 세 번째 순서의 P3는 제2 챔버에 정압이 가해져 탄성 고무체를 통해 간접적으로 밀어 실리콘 베어 웨이퍼를 눌러 실리콘 베어 웨이퍼의 가장자리 연마도 향상되도록 하는 하살표이다.
도 2b에 도시된 Q1은 연마가 완료된 후 제2 챔버에 부압을 걸어주면 부압에 의해 실리콘 베어 웨이퍼가 탄성 고무체에 흡착되는 첫 순서를 나타낸 화살표, 두 번째 순서의 Q2는 제1 챔버에 부압을 걸어주면 가압 플레이트가 연마패드로부터 떨어져 실리콘 베어 웨이퍼와 연마패드면 사이에 이격되어 공간이 형성되는 화살표이고, 세 번째 순서의 Q3는 리테이너링에 부압을 가하면(샤프트에 연결된 실린더에 부압을 가하면) 리테이너링을 포함한 캐리어 헤드 하우징 전체가 상승되어 전체가 연마패드로부터 떨어지는 화살표이다.
도 4a는 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 리테이너링을 도시한 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 분해 사시도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 리테이너링(200)은 연결링(210), 커버링(220) 및 연마링(230)을 포함한다.
상기 리테이너링(200)의 연결링(210)은 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단부에 결합되고, 상기 커버링(220)은 상기 연결링(210)에 착탈가능하게 결합되고, 상기 연마링(230)은 상기 커버링(220)의 하단면에 접착제로 부착된다.
즉, 상기 리테이너링(200)의 연결링(210)은 캐리어 헤드 하우징(100) 둘레부(120) 하단에 설치되는 것으로 금속으로 제조한다.
상기 리테이너링(200)의 연결링(210)의 둘레 외주면에는 수나사선(212)이 형성되고, 상기 커버링(220)의 둘레 내주면에는 상기 연결링(210)의 수나사선(212)과 대응되는 암나사선(222)이 형성되어 착탈가능하게 나사 결합된다.
상기와 같은 연마링(230)은 마모되는 재질로써, 바람직하게는 폴리페닐설파이드(PPS), 폴리벤지미다졸(PBI), 폴리에테르에트레케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸린테레프탈레이트(PET), 폴리이미드, 폴리카보네이트, 아세탈 등의 합성수지로 제조된다.
상기 연마링(230)은 커버링(220)의 하부면에 교체 가능하도록 접착제에 의해 부착되어, 연마패드와 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 슬러리의 접촉에 의해 마모된다.
상기 연결링(210)의 상부면에는 등간격으로 복수의 나사홈(211)이 형성되어 있다. 복수의 나사홈(211)은 캐리어 헤드 하우징(100) 둘레부(120)를 관통하는 리테이너링 볼트고정 관통홀(122)로 삽입된 각각의 리테이너링 고정볼트(123)를 체결하기 위한 것이며, 연결링(210)의 외주면에는 수나사선(212)이 형성되어 있어 커버링(220)의 내주면에 형성된 암나사선(212)과 체결되어, 손상되거나 마모된 커버링(220) 및 연마링(230)을 분해 및 조립하여 교체를 용이하게 한다. 따라서, 연결링(210)은 하우징 둘레부(120) 하단에 고정시켜 놓고 커버링(220)만을 용이하게 분리 즉, 커버링(220) 및 연마링(230)을 용이하게 교체할 수 있다.
도 5는 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 가압 플레이트를 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치 용 캐리어 헤드의 가압 플레이트(300)는 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 결합되는 제1 가압 플레이트(310)와, 상기 제1 가압 플레이트(310)의 하부에 착탈가능하게 결합하는 제2 가압 플레이트(320)와, 상기 제2 가압 플레이트(320)의 하부에 착탈가능하게 결합하는 제3 가압 플레이트(330)를 포함하여 구비된다. 이때, 상기 제3 가압 플레이트(330)에 상기 탄성 고무체(400)를 감싸 끼운 상태에서 상기 제2 가압 플레이트(320)의 하부에 결합하여 탄성 고무체(400)가 고정되도록 한다.
그리고, 상기 탄성 고무체(400)는 가압 플레이트(300)의 하부에 감싸져 결합하여 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 고정하는 역할을 한다.
상기 탄성 고무체(400)는 실리콘 베어 웨이퍼(W)가 고정되는 평평한 부분인 평탄부(420)와 제3가압 플레이트(330)를 감쌀 수 있도록 외주부분에 'ㄷ' 자로 절곡 형성된 결합부(440)를 포함한다. 그리고, 상기 결합부(440)에 형성된 돌기(442)가 제3 가압 플레이트(330)에 형성된 홈에 끼워지고, 제3 가압 플레이트(330)에 제2 가압 플레이트(320)가 나사결합 됨으로써 가압 플레이트(300)와 결합한다.
상기 제3 가압 플레이트(330)에 감싸 끼워진 탄성 고무체(400)가 마모되어 교체할 경우에는 상기 제1 가압 플레이트(310))가 캐리어 헤드 하우징(100) 하부에 고정된 상태에서 상기 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리해 교체할 수 있다.
그리고, 상기 가압 플레이트(300)는 제1 가압 플레이트(310)의 상부면 중앙부에 다수의 파이 형태로 압력분배통로가 구획 배치되어 상부면에 가해지는 압력이 균일하게 분배 전달되도록 하는 역할을 하는 압력분배돌출부(312)가 돌출 형성된다.
상기 가압 플레이트(300)는 제3 가압 플레이트(330)의 둘레 하부면 가장자리에는 하부에 배치되는 실리콘 베어 웨이퍼(W) 가장자리에 연마 압력이 전달되도록 조절하는 환형 돌기부(332)가 돌출 형성된다. 즉, 제3 가압 플레이트(330)의 하부 면의 가장자리 및 중심과 가장자리 사이에는 환형 돌기부(332)가 형성된다.
상기 돌기부(332)는 실리콘 베어 웨이퍼(W) 가장자리의 연마정도를 조절하기 위한 것으로서 실리콘 베어 웨이퍼(W)의 크기, 캐리어 헤드의 회전속도, 캐리어 헤드에 의해서 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 가해지는 압력 등 연마조건에 따라서 다양한 형태로 변경이 가능하다.
그리고, 상기 가압 플레이트(300)와 위치제어링(20)이 결합되는 방법을 자세하게 설명하면, 제1 가압 플레이트(310) 상부면에 위치제어링(20)을 나사결합 한다. 그 후 제2 가압 플레이트(320)에 제3 가압 플레이트(330)를 나사결합 한다. 그 후, 상기 결합된 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)를 관통하여 형성되어 있는 제1 본체 관통홀(124)과 위치제어링(20)을 관통하여 형성되어 있는 제2 위치제어링 관통홀(22)을 통해서 투입된 가압 플레이트 고정볼트(125)를 이용하여 제1 및 제2 가압 플레이트에 각각 형성된 나사 체결공(316, 326)을 통해 제1 및 제2 가압 플레이트를 나사결합 한다.
그리고, 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)에 각각 형성된 나사 체결공(325, 336)을 통해 체결볼트(339)로 제2 및 제3 가압 플레이트를 나사 결합 한다.
따라서, 제1 가압 플레이트(310)로부터 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리한 후 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 용이하게 분리할 수 있다.
한편, 가압 플레이트(300)는 바람직하게는 폴리페닐렌 설파이드(PPS; polyphenylene sulfide) 또는 폴리에텔에테케톤(PEEK; polyethelethel-ketone) 등의 합성수지 재료나 오스테나이트 스텐레스 스틸(SUS304, SUS316 등), 알루미늄 티탄과 같은 금속 재료로 제조될 수 있고, 무게를 줄이기 위하여 상부 및 하면부의 일부분을 오목하게 홈을 내 빈 공간을 형성할 수 있다. 즉, 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)의 결합 부분에는 빈 공간(채널)(340)이 형성되어 가압 플레이트(300)의 무게를 줄일 수 있다.
그리고, 상기 탄성 고무체(400)를 교체하는 방법은 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)를 관통하는 제1 본체 관통홀(124)과 위치제어링(20)을 관통하는 제2 위치제어 관통홀(22)을 통해서 가압 플레이트 고정볼트(125)를 풀어 제1 가압 플레이트(310)로부터 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리한다.
그 후 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리한 후 제3가압 플레이트(330)를 감싸고 있는 탄성 고무체(400)를 교체한다. 이러한 방법을 통해서 탄성 고무체(400)를 용이하게 교체할 수 있다.
한편, 바람직하게는 상기 탄성 고무체(400)는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무 등의 강도 및 내구성이 탁월한 고무 재료로 형 성된다.
상술한 바와 같은 구성에 의해서 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드는 다음과 같이 작동된다.
상기 제1 챔버(40)와 제2 챔버(50)에 공급되는 부압의 기체가 각각의 제1 및 제2 챔버 기체통로(114, 116)를 통하여 각각의 제1 및 제2 챔버(40, 50)가 진공상태가 되도록 한다.
각각의 제1 및 제2 챔버(40, 50)가 진공상태가 되면, 부압에 의해서 가압 플레이트(300)는 수직 상승하고 탄성 고무체(400)는 수축해, 가압 플레이트(300)와 탄성 고무체(400)가 상승 및 수축한 상태에서 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 흡착 시킨다. 동시에 샤프트(S)를 하강시켜 리테이너링(200)이 연마패드(700)에 접촉하게 한다.
이때, 리테이너링(200)과 연마패드(700)가 수평을 이루지 않는 경우에는 샤프트(S)와 캐리어 헤드 하우징(100)의 연결부위인 평행 정렬 틸팅 유니트(500)가 틸팅(기울어짐)되어 캐리어 헤드가 연마패드(700)면과 평행하게 정렬된다.
따라서 샤프트(S)에 의해서 가해지는 압력은 캐리어 헤드 하우징(100)을 통해서 리테이너링(200)에 균일하게 전달된다.
그 후, 제1 챔버(40)와 제2 챔버(50)에 정압의 기체를 공급하면 가압 플레이트(300)가 하강하고, 탄성 고무체(400)가 팽창하여 탄성 고무체(400)가 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 간접적으로 밀어주면서, 제1 챔버(40)와 제2 챔버(50)에 공급되는 정압 또는 부압의 기체 압력에 의해서 실리콘 베어 웨이퍼(W)에 대해서 탄성 고무 체(400)가 가하는 압력이 조절된다.
상술한 바와 같이 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드에 밀착시킨 상태에서, 실리콘 베어 웨이퍼(W)와 연마패드(700) 사이에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 슬러리를 공급하면서 연마패드(700)와 캐리어 헤드 하우징(100)이 회전되어 실리콘 베어 웨이퍼(W)의 연마면이 연마된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 단면도
도 2a는 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드가 하강되어 실리콘 베어 웨이퍼가 연마되는 상태를 도시한 단면도
도 2b는 본 발명의 일실시 예에 따른 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드가 연마 종료되어 상승된 상태를 도시한 단면도
도 3은 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 평행 정렬 틸팅 유니트를 확대하여 도시한 확대 단면도
도 4a는 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 리테이너링을 도시한 사시도
도 4b는 도 4a의 분해 사시도
도 5는 도 2a에 도시된 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드의 가압 플레이트를 분해하여 도시한 분해 사시도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10. 어댑터 16. 조인트 플레이트
20. 위치제어링 30. 주름 환형 가압시트
40. 제1 챔버 50. 제2 챔버
100. 캐리어 헤드 하우징 110. 본체부
114. 제1 챔버 기체 통로 116. 제2 챔버 기체 통로
120. 둘레부 200. 리테이너링
210. 연결링 220. 커버링
230. 연마링 300. 가압 플레이트
310. 제1 가압 플레이트 312. 압력분배돌출부
320. 제2 가압 플레이트 314. 관통공
332. 돌기부 330. 제3 가압 플레이트
400. 탄성 고무체 500. 평행 정렬 틸팅 유니트
510. 로드 축 520. 평행 정렬 틸팅부재
523. 축베어링 525. 틸팅베어링
530. 버팀축 600. 가이드 축핀
620. 수직 승강 베어링 700. 연마패드
W. 웨이퍼 S. 샤프트

Claims (13)

  1. 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 연마패드(700)에 의해 연마되도록 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치의 승강이동되는 샤프트(S)에 캐리어 헤드 하우징(100)이 어댑터(10)에 의해 연결되는 캐리어 헤드로서,
    상기 샤프트(S)의 하강이동에 따라 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 틸팅가능하게 결합되며, 상기 샤프트(S)의 하강에 의해서 가해지는 압력을 하부로 전달하는 캐리어 헤드 하우징(100)과;
    상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단에 체결되어 상기 실리콘 베어 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드 하우징(100)으로부터 이탈되지 않도록 지지하며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 하강에 따른 압력에 의해 연마패드(700)에 밀착되는 리테이너링(200)과;
    상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 상기 리테이너링(200)과 독립적으로 수직 승강이동되도록 결합되며, 하부면에 실리콘 베어 웨이퍼(W)를 흡착 지지하는 탄성 고무체(400)가 고정되는 가압 플레이트(300)와;
    일측이 상기 샤프트(S)의 어댑터(10)에 나사 체결되는 로드 축(510)과,
    상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)에 고정되는 조인트 플레이트(16) 일측에 나사 체결되는 버팀축(530)과,
    상기 로드축(510)과 버팀축(530)의 사이에 틸팅가능하게 결합되는 평행 정렬 틸팅부재(520)로 구성되어,
    상기 평행 정렬 틸팅부재(520)에 의해 샤프트(S)의 하강이동시 캐리어 헤드 하우징(100)이 연마패드(700)면과 평행하게 정렬되도록 틸팅되어 샤프트(S)의 하강에 의해 가해지는 압력이 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)에 균일하게 분배되어 연마패드(700)면에 균일하게 전달되는 평행 정렬 틸팅 유니트(500)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
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  4. 제1항에 있어서, 상기 평행 정렬 틸팅부재(520)는
    상기 로드 축(510)을 환상으로 감싸도록 결합되며 외면이 볼록구면으로 형성된 축베어링(523)과, 상기 버팀축(530)에 지지되도록 결합되며 내면이 상기 축베어링(523)의 볼록구면에 틸팅가능하게 면접되는 오면구면이 형성된 틸팅베어링(525)으로 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가압 플레이트(300)의 상부에는 탄성의 주름 환형 가압시트(30)의 외측 테두리가 끼워져 밀폐 고정되는 위치제어링(20)이 결합되며, 상기 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부에는 상기 주름 환형 가압시트(30)의 내측 테두리가 끼워져 밀폐 고정되어,
    상기 가압 플레이트(300)의 상부면과 캐리어 헤드 하우징(100)의 본체부(110)의 내측 하부면 사이에는 밀폐된 제1 챔버(40)가 형성되고,
    상기 제1 챔버(40)에 연결된 제1 챔버 기체 통로(114)를 통해서 공급되는 기체의 정압 또는 부압에 의해서 가압 플레이트(300)가 수직 승강이동되는 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
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  9. 제1항에 있어서, 상기 리테이너링(200)은 상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 둘레부(120) 하단부에 결합되는 연결링(210)과;
    상기 연결링(210)에 착탈가능하게 결합되는 커버링(220)과;
    상기 커버링(220)의 하단면에 부착되는 연마링(230)을 포함하며,
    상기 리테이너링(200)의 연결링(210)의 둘레 외주면에는 수나사선(212)이 형성되고,
    상기 커버링(220)의 둘레 내주면에는 상기 연결링(210)의 수나사선(212)과 대응되는 암나사선(222)이 형성되어 착탈가능하게 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
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  12. 제1항에 있어서, 상기 가압 플레이트(300)는
    상기 캐리어 헤드 하우징(100) 본체부(110)의 중앙 하부에 결합되는 제1 가압 플레이트(310)와;
    상기 제1 가압 플레이트(310)의 하부에 착탈가능하게 결합하는 제2 가압 플레이트(320)와;
    상기 제2 가압 플레이트(320)의 하부에 착탈가능하게 결합하는 제3 가압 플레이트(330)를 포함하며,
    상기 제3 가압 플레이트(330)에 상기 탄성 고무체(400)를 감싸 끼운 상태에서 상기 제2 가압 플레이트(320)의 하부에 결합하여 탄성 고무체(400)가 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 가압 플레이트(330)에 감싸 끼워진 탄성 고무체(400)가 마모되어 교체할 경우에는 상기 제1 가압 플레이트(310)가 캐리어 헤드 하우징(100) 하부에 고정된 상태에서 상기 제2 가압 플레이트(320)와 제3 가압 플레이트(330)를 분리해 교체할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 베어 웨이퍼 연마장치용 캐리어 헤드.
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