KR101042559B1 - 반도체 웨이퍼들을 연마하기 위한 연마 헤드 - Google Patents

반도체 웨이퍼들을 연마하기 위한 연마 헤드 Download PDF

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Abstract

반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하기 위하여 연마 헤드와 방법은 적어도 하나의 리세스 영역을 가지는 베이스 구조물과 흡착이 가해질 때 반도체 웨이퍼를 외부 가요성 멤브레인 상에 장착하기 위하여 적어도 하나의 디프레션을 형성하게끔 적어도 하나의 리세스 영역을 형태가 변할 수 있는 외부 가요성 멤브레인을 사용한다.
Figure R1020087024319
연마, 헤드, 베이스, 리세스, 디프레션, 진공, 흡착

Description

반도체 웨이퍼들을 연마하기 위한 연마 헤드{Polishing head for polishing semiconductor wafers}
<관련 출원에 대한 참조>
본 출원은 2006년 3월 3일자로 출원된 미국 예비 특허출원 번호 제60/778,675호, 2006년 5월 15일자로 출원된 미국 예비 특허출원 번호 제60/800,468호, 2006년 8월 1일자로 출원된 미국 예비 특허출원 번호 제60/843,890호, 2006년 8월 11일자로 출원된 미국 예비 특허출원 번호 제60/837,109호, 2006년 9월 15일자로 출원된 미국 예비 특허출원 번호 제60/844,737호의 우선권 이익을 향유하며, 모두 본 명세서의 참조로서 통합된다.
본 발명은 일반적으로 반도체 공정 장치에 관한 것이며, 더 상세하게는 반도체 웨이퍼들을 다루고 연마하는 연마 헤드 및 방법에 관한 것이다.
반도체 공정에서 금속배선과 절연막의 적층이 늘어나면서, 국부적인 평탄도 뿐 아니라 광범위한 영역에서의 평탄도에 대한 중요도가 점점 더 커지고 있다. 반도체 웨이퍼들을 평탄화하기 위해 선호되는 방법은 화학 기계적 연마 방법인데, 이 방법에서는 반도체 웨이퍼의 표면이 웨이퍼와 연마 패드 사이에 공급되는 연마제 용액을 사용하여 연마된다. 이 화학기계적 연마법은 또한 반도체 웨이퍼들 상에 구 리 구조물을 형성하기 위한 다마신 공정에도 널리 사용된다.
일반적으로, 화학기계적 연마 장치는, 연마 패드가 부착되는 연마판(polishing table)과 반도체 웨이퍼를 지지하여 연마 패드 상에서 웨이퍼를 가압하여 주는 웨이퍼 케리어를 포함한다. 화학기계적 연마 장치는 연마된 웨이퍼들을 세정하고 건조하기 위하여 웨이퍼 세정 장치도 포함할 수 있다.
화학기계적 연마 장치의 중요한 구성 요소는 연마면 상에서 연마되도록 반도체 웨이퍼를 지지하는 연마 헤드(polishing head)이다. 연마 헤드는 웨이퍼를 장착하고(로드) 탈착하도록(언로드), 그리고 연마 패드 상에서 웨이퍼에 압력을 가하도록 디자인된다. 웨이퍼가 연마된 후에 웨이퍼와 연마면 사이에 강한 접착이 존재할 수도 있는데, 이러한 접착은 연마 헤드 상으로 웨이퍼를 장착하는 것을 어렵게 만든다. 연마 헤드는 웨이퍼를 연마 헤드 상으로 장착하기 위해서 웨이퍼와 연마 면 사이의 이러한 접착을 극복하도록 디자인되어야 한다. 웨이퍼 연마 과정에서, 연마 헤드는 불균일한 연마를 최소화하기 위하여 웨이퍼에 적절한 압력을 가해야 한다.
이러한 관점에서 반도체 웨이퍼들을 적절하게 다루고 연마하기 위한 연마 헤드와 방법이 요구된다.
반도체 웨이퍼들을 다루고 연마하기 위한 연마 헤드 및 방법은 적어도 하나의 리세스 영역을 가지는 베이스 구조물과 외부 가요성 멤브레인을 사용하며, 상기 외부 가요성 멤브레인은 적어도 하나의 디프레션을 형성하도록 상기 적어도 하나의 리세스 영역을 따라 변형될 수 있고, 상기 적어도 하나의 디프레션에 진공이 가해질 때 반도체 웨이퍼가 외부 가요성 멤브레인 상에 고정된다. 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 웨이퍼를 단단히 고정시킬 수 있도록 상기 적어도 하나의 디프레션은 상기 진공이 상기 웨이퍼의 넓은 면적에 걸리도록 해준다.
본 발명의 실시예에 따른 연마 헤드는 베이스 구조물, 외부 가요성 멤브레인, 제1 유체관 및 제2 유체관을 포함한다. 상기 베이스 구조물은 밑면을 가진다. 상기 베이스 구조물은 상기 밑면 상에 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하도록 구성된다. 상기 외부 가요성 멤브레인은 상기 베이스 구로물 아래에 위치된다. 상기 외부 가요성 멤브레인과 상기 베이스 구조물은 상기 베이스 구조물 아래에 챔버를 형성한다.
상기 제1 유체관은 상기 챔버의 적어도 일부에 진공을 가할 수 있도록 상기 챔버에 연결된다. 적어도 하나의 디프레션이 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상에 형성되도록 상기 진공은 상기 외부 가요성 멤브레인을 상기 베이스 구조물의 상기 적어도 하나의 리세스 영역의 형상을 따르도록 변형시킨다. 상기 제2 유체관은 상기 진공이 상기 챔버에 가해질 때 상기 제2 유체관의 개구부가 상기 적어도 하나의 디프레션에 위치하도록 상기 외부 가요성 멤브레인을 관통하도록 구성된다. 상기 제2 유체관은 반도체 웨이퍼를 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 고정시키기 위하여 상기 적어도 하나의 디프레션에 또 다른 진공을 가해주기 위하여 사용된다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하기 위한 방법은 상기 연마 헤드의 외부 가요성 멤브레인이 상기 반도체 웨이퍼의 한 면에 가까이 위치하도록 상기 연마 헤드를 이동하는 단계, 밑면에 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하도록 구성된 상기 연마 헤드의 베이스 구조물과 상기 외부 가요성 멤브레인에 의하여 형성된 상기 연마 헤드의 챔버의 적어도 일부에, 적어도 하나의 디프레션이 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상에 형성되도록 상기 외부 가요성 멤브레인이 상기 베이스 구조물의 상기 적어도 하나의 리세스 영역을 따라 변형되도록 진공을 가하는 단계, 및 상기 반도체 웨이퍼를 상기 연마 헤드의 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 고정시기키 위하여 상기 외부 가요성 멤브레인의 상기 밑면 상의 상기 적어도 하나의 디프레션에 또 다른 진공을 가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점과 장점들은 본 발명의 원리들의 예를 사용하여 도시된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 연마 헤드의 수직 단면도이다.
도2는 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 맴브레인들을 보여 주기 위하여 외부 가요성 멤브레인의 일부를 잘라낸 본 발명의 실시예에 따른 도1의 연마 헤드의 밑면도이다.
도3A는 본 발명의 실시예에 따른 도1의 연마 헤드의 제1 환형 디스크의 밑면도이다.
도3B는 도3A의 제1 환형 디스크의 단면도이다.
도4A는 본 발명의 실시예에 따른 도1의 연마 헤드의 내부 가요성 멤브레인의 입체도이다.
도4B는 도4A의 내부 환형 가요성 멤브레인의 단면도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 환형 디스크 및 내부 환형 가요성 멤브레인의 단면도이다.
도6A는 본 발명의 실시예에 따른 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들을 가지는 제2 및 제3 환형 디스크들의 예를 보여주는 단면도이다.
도6B는 본 발명의 실시예에 따른 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들을 가지는 제2 및 제3 환형 디스크들의 또 다른 예를 보여 주는 단면도이다.
도7A는 본 발명의 실시예에 따른 도1의 연마 헤드의 밸브(valve)-레귤레이터(regulator) 조립체의 블록 다이어그램(block diagram)이다.
도7B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도1의 연마 장치의 밸브-레귤레이터 조립체의 블록 다이어그램이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른, 반도체 웨이퍼가 장착된 연마 헤드의 또 다른 단면도이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 상호 연결된 리세스 영역(recess region)들을 가지는 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들의 밑면도이다.
도10은 본 발명의 실시예에 따른 환형 디스크들의 상호 연결된 리세스 영역들을 따라 변형된 외부 가요성 멤브레인의 밑면도이다.
도11A는 본 발명의 실시예에 따른 환형 플랩(flap)을 가지는 외부 가요성 멤브레인의 일부를 보여주는 단면도이다.
도11B는 본 발명의 대체 실시예에 따른 환형 플랩을 가지는 외부 가요성 멤 브레인의 일부를 보여주는 단면도이다.
도12는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼를 다루고 연마하기 위한 방법의 공정 흐름도이다.
도1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마 헤드(10)가 기술된다. 도1은 조립된 후의 연마 헤드(10)의 수직 단면도이다. 연마 헤드(10)는 상기 웨이퍼를 잡아주고, 연마면(11) 상에서 상기 웨이퍼를 회전시키고 가압함으로써 상기 웨이퍼를 연마하도록 구성된다. 상기 웨이퍼의 연마 과정에 연마 슬러리 및/또는 화학약품이 사용될 수 있다.
연마 헤드(10)는 하우징(12), 베이스(14) 그리고 리테이너 링(retianer ring, 16)을 포함한다. 하우징(12)은 구동 샤프트(18)에 연결되며, 구동 샤프트(18)는 연마 헤드(10)를 이동하고 회전하기 위하여 사용된다. 구동 샤프트(18)는 상기 구동 샤프트를 회전시켜 주는 모터(도시되지 않음)에 연결된다. 구동 샤프트(18)는 연마 헤드(10)를 연마면(11)에 대하여 수직 방향으로 위치 이동키기기 위하여 유체 엑츄에이터와 같은 수직 구동 기구(도시되지 않음)에도 연결된다. 베이스(14)는 플랙셔(flexure, 20)를 통하여 하우징(12)에 연결된다.
플랙셔(20)는 가요성 재료로 만들어진 얇은 원형 디스크이다. 한 예로서, 플랙셔(20)는 얇은 금속 원형 디스크일 수 있다. 그러나 플랙셔(20)는 다른 가요성 재료로 만들어질 수도 있다. 플랙셔(20)의 내부 영역은 상기 플랙셔를 상기 하우징과 상기 베이스에 물리적으로 부착하기 위하여 결합 스크류들, 접착제 또는 어떤 다른 수단들을 사용하여 하우징(12)과 베이스(14)에 부착된다. 플랙셔(20)의 외곽부 가장자리는 상기 플랙셔를 상기 리테이너 링에 물리적으로 부착하기 위하여 결합 스크류들, 접착제 또는 어떤 다른 수단들을 사용하여 리테이너 링(16)에 부착된다. 플랙셔(20)는 수직 방향으로 가역적으로 변형할 수 있도록 구성된다. 플랙셔(20)는 또한 베이스(14)에 평행한 방향으로 상기 플랙셔에 가해지는 전단 압력을 견디도록 구성된다.
연마 헤드(10)는 환형 튜브(22)를 더 포함하는데, 이 튜브는 하우징(12)과 플랙셔(20) 사이에 리테이너 링(16) 위에 놓여진다. 환형 튜브(22)는 플랙셔(20)를 통하여 하우징(12)과 리테이너 링(16)에 부착된다. 환형 튜브(22)는 미리 설정된 압력 조건에서 상기 튜브의 내부 영역이 공기, 물, 기름, 실리콘, 젤라틴 또는 다른 기체 또는 액체와 같은 유체(24)를 포함하도록 구성된 밀폐된 튜브이다. 유체(24)는 점성 물질일 수도 있다.
환형 튜브(22)는 리테이너 링(16)이 연마면(11)과 접촉하고 있을 때 하우징(12)에 의하여 하향 응력이 상기 환형 튜브에 가해질 때 가압되어 진다. 가압된 환형 튜브(22)는 리테이너 링(16)으로 상기 하향 응력을 전달한다. 한 실시예에서, 연마면(11)에 대한 리테이너 링(16)의 반복적인 가압 과정에서 상기 튜브가 영구 변형되지 않도록 환형 튜브(22)는 탄성 재료로 만들어진다.
리테이너 링(16)이 연마면(11)을 누를 때, 환형 튜브(22)는 진동 흡수체로서 작동한다. 상기 웨이퍼(W)의 연마 과정에서 연마면(11)과 리테이너 링(16)의 하부면 사이의 마찰로 인하여 발생되는 상기 진동들은 환형 튜브(22)에 의하여 흡수된 다. 따라서 연마 헤드(10)의 하우징(12)으로 전달되는 상기 진동들은 최소화될 수 있다.
리테이너 링(16)을 통하여 연마면(11)에 가해지는 압력을 조절하기 위하여 환형 튜브(22)에서의 유체(24) 압력이 조정될 필요가 없으므로, 환형 튜브(22)는 연마 헤드(10)에서 어떠한 유체원에도 연결될 필요가 없다. 그러나, 다른 실시예들에서는 상기 튜브에서의 유체 부피를 조절하기 위하여 유체(24)가 상기 튜브로 공급되거나 상기 튜브로부터 제거되도록 환형 튜브(22)가 유체원에 연결될 수도 있다.
연마헤드(10)는 컨트롤러(26)와 밸브-레귤레이터 조립체(28)을 더 포함한다. 상기 도시된 실시예에서, 컨트롤러(26)와 밸브-레귤레이터 조립체(28)는 베이스(14) 위의 하우징(12) 내부에 위치된다. 컨트롤러(26)는 아래 기술된 것처럼 밸브-레귤레이터 조립체(28)의 구성 요소들을 조절하도록 구성된다. 컨트롤러(26)는 동력과 데이터 통신을 위하여 전선들(30)을 통하여 컴퓨터와 같은 외부 컨트롤러(도시되지 않음)에 연결된다. 컨트롤러(26)는 동력과 데이터 통신을 위하여 전선들(32)을 통하여 밸브-레귤레이터 조립체에도 연결된다. 밸브-레귤레이터 조립체(28)는 유체관들 (36A-36D)에 연결된다. 유체관(36A)은 공기와 같은 가압된 기체를 받기 위해 사용된다. 유체관(36B)은 잉여 기체를 방출하기 위한 배기구로서 사용된다. 유체관(36C)은 진공 또는 흡입(suction)을 제공하기 위하여 사용된다. 유체관(36D)은 초순수(D.I. Water)를 받기 위하여 사용된다. 밸브-레귤레이터 조립체(28)는 아래 기술된 것과 같이 다수의 유체관들(34A-34E)에도 연결된다.
연마 헤드(10)는 제1 환형 디스크(40A), 제2 환형 디스크(40B), 제3 환형 디스크(40C), 제1 내부 환형 가요성 멤브레인(42A), 제2 내부 환형 가요성 멤브레인(42B), 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42C) 및 외부 가요성 멤브레인(44)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)은 상기 환형 디스크들을 상기 베이스에 물리적으로 부착하기 위하여 결합 스크류들, 접착제 또는 어떤 다른 수단들을 사용하여 베이스(14)에 부착된다. 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)은 리테이너 링(16)의 경계 내에 위치된다. 베이스(14)와 환형 디스크들(40A-40C)은 연마 헤드(10)의 베이스 구조물을 형성한다.
제1 환형 디스크(40A)는 도3A 및 도3B에서 더 자세히 보여진다. 도3A는 제1 환형 디스크(40A)의 밑면도이고 도3B는 상기 제1 환형 디스크의 단면도이다. 도3A 및 도3B에 나타낸 것처럼 제1 환형 디스크(40A)는 그 중심에 원형 구멍(302)과 그 밑면에 원형 리세스 영역(recess region, 304)를 포함한다. 상기 원형 구멍이 원형 리세스 영역(304)의 중심에 놓여지도록 원형 리세스 영역(304)은 원형 구멍(302) 주위에 위치한다. 제1 환형 디스크(40A)의 구성의 몇 가지 장점들이 아래에 기술된다.
도1로 되돌아가서, 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)의 밑면들에서의 내부 및 외부 직경들은 제3 환형 디스크(40C)가 제2 환형 디스크(40B)를 둘러싸고 제2 환형 디스크(40B)는 제1 환형 디스크(40A)를 둘러싸도록 결정된다. 한 실시예에서 제2 환형 디스크(40B)의 바깥쪽 가장자리는 계단 구조를 가지도록 구성되며, 제3 환형 디스크(40C)의 안쪽 가장자리는 뒤집혀 진 계단 구조를 가지도록 구성된 다. 따라서 제2 환형 디스크(40B)의 바깥쪽 가장자리와 제3 환형 디스크(40C)의 안쪽 가장자리 는 제2 및 제3 환형 디스크들이 꽉 맞물리도록 맞물려진다. 제2 및 제3 환형 디스크들(40B, 40C)의 몇 가지 장점들이 아래에 기술된다.
제1 환형 챔버(46A)가 제1 환형 디스크(40A)와 제1 내부 환형 가요성 멤브레인(42A)에 의하여 정의 되도록 제1 내부 환형 가요성 멤브레인(42A)이 제1 환형 디스크(40A)에 연결된다. 제2 환형 챔버(46B)가 제2 환형 디스크(40B)와 제2 내부 환형 가요성 멤브레인(42B)에 의하여 정의 되도록 제2 내부 환형 가요성 멤브레인(42B)이 제2 환형 디스크(40B)에 연결된다. 제3 환형 챔버(46C)가 제3 환형 디스크(40C)와 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42C)에 의하여 정의 되도록 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42C)이 제3 환형 디스크(40C)에 연결된다. 제1, 제2 및 제3 환형 가요성 멤브레인들은 접착제를 사용하여 그들 각각의 환형 디스크들(40A-40C)에 고정될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)이 교체되어질 때, 각각의 결합된 내부 환형 가요성 멤브레인들을 가지는 각각의 환형 디스크들(40A, 40B 및/또는 40C)이 교체될 수 있다.
내부 환형 가요성 멤브레인(400)의 한 예가 도4A 및 도4B에 도시된다. 도4A와 도4B에 나타낸 바와 같이, 내부 환형 가요성 멤브레인(400)은 상기 멤브레인의 중심으로부터 바깥쪽 방향으로 뻗어나간 환형 상부 플랩(flap, 404)를 가지는 내부 원형 측벽(402)을 포함한다. 내부 환형 가요성 멤브레인(400)은 또한 상기 멤브레인의 중심을 향하여 안쪽 방향으로 뻗어나간 원형 상부 플랩(410)을 가지는 외부 원형 측벽(408)을 포함한다. 원형 상부 플랩들(404, 410)은 내부 환형 가요성 멤브 레인(400)을 각각의 환형 디스크들(40A, 40B 또는 40C)에 단단히 고정시키기 위하여 사용된다. 내부 원형 측벽(402)은 내부 원형 가요성 멤브레인(400)의 중심부 원형 구멍(406)을 정의해 준다. 상기 구멍(406)의 크기는 내부 환형 가요성 멤브레인(400)의 내부 직경(D1)에 해당한다. 외부 원형 측벽(408)은 내부 환형 가요성 멤브레인(400)의 외부 직경(D2)을 정의해 준다. 내부 환형 가요성 멤브레인(400)의 내부 및 외부 직경들(D1, D2)은 상기 내부 환형 가요성 멤브레인이 연마 헤드(10)의 제1 가요성 멤브레인(42A), 제2 가요성 멤브레인(42B) 또는 제3 가요성 멤브레인(42c)으로 사용되는지에 따라 결정된다.
연마 헤드(10)가 각각의 환형 디스크들(40A-40C)과 결합된 3 개의 환형 챔버들(46A-46C)을 포함하는 것으로 도시되고 기술되었으나, 다른 실시예들에서 연마 헤드(10)는 각각의 환형 디스크들과 결합된 다른 수의 환형 챔버들을 포함하도록 구성될 수 있다.
도1로 되돌아가서, 외부 가요성 멤브레인(44)은 상기 외부 가요성 멤브레인이 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A, 42B, 42C)를 덮도록 베이스(14)와 리테이너 링(16)에 부착된다. 도시된 실시예에서, 외부 가요성 멤브레인(44)은 그 중심부에 제1 환형 디스크(40A)의 상기 중심 구멍에 맞는 원형 리세스 영역(48)를 가지도록 구성된다. 외부 가요성 멤브레인(44)의 원형 리세스 영역(48)는 원형 중심 공간(50)을 형성한다. 상기 외부 가요성 멤브레인을 상기 베이스에 물리적으로 부착시키기 위하여 외부 가요성 멤브레인(44)의 중심은 접착제, 하나 이상의 결합 스크류 또는 어떤 다른 수단들을 사용하여 베이스(14)에 부착된다. 외 부 가요성 멤브레인(44)의 외부 가장자리는 결합 스크류와 같은 하나 이상의 외부 멤브레인 고정체(52)를 사용하여 리테이너 링(16)에 부착된다. 다른 실시예들에서, 상기 외부 가요성 멤브레인을 리테이너 링에 물리적으로 부착시키기 위하여 외부 가요성 멤브레인(44)의 외부 가장자리는 접착체 또는 어떤 다른 수단들을 사용하여 리테이너 링(16)에 부착될 수도 있다. 외부 가요성 멤브레인(44)과 환형 디스크들(40A-40C)은 큰 환형 챔버를 정의해 주는데, 이 챔버는 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)에 의하여 만들어지는 환형 챔버들(46A-46C)를 포함한다.
외부 가요성 멤브레인(44)은 환형의 주변부(54)와 환형의 중심부(56)를 가지도록 구성된다. 환형 주변부(54)는 상기 환형 주변부가 베이스(14)와 리테이너 링(16) 사이에 위치하도록 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태를 가지도록 성형된다. 외부 가요성 멤브레인(44)의 환형의 중심부(56) 역시 거꾸로 뒤집힌 U자 형태를 가지도록 성형되며 거꾸로 뒤집힌 U자 형태부(56)의 상부가 베이스(14)의 중심 부근에 형성된 리세스(58)를 마주본다. 거꾸로 뒤집힌 U자 형태부들(54, 56)은 그들 형태의 반복적 변화 후에 가역적으로 그들의 형태를 유지하도록 만들어진다. 외부 가요성 멤브레인(44)의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태부들(54, 56)은 외부 가요성 멤브레인(44)이 늘어나거나 또는 너무 많이 늘어나지 않고도 외부 가요성 멤브레인(44)이 웨이퍼(W)를 향하여 아래쪽으로 늘어나며 또한 상기 웨이퍼로부터 위쪽으로 오므라드는 것을 가능하게 해 준다. 따라서 외부 가요성 멤브레인(44)은 비탄성 물질로 만들어질 수 있으며 여전히 적절하게 늘어나고 수축하는 기능을 한다. 그러나 어떤 실시예들에서는 외부 가요성 멤브레인(44)이 탄성 물질로 만들어질 수도 있다.
외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면은 웨이퍼(W)와 접촉하는 면으로서 사용된다. 외부 가요성 멤브레인(44)과 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)은 고무 및 플라스틱 재료를 포함한 어떤 종류의 가요성 재료로 만들어 질 수 있다. 어떤 실시예들에서는 피브이씨(PVC), 폴리스티렌( Polystyrene), 나이론(Nylon), 그리고 폴리에틸렌(Polyethylene)과 같은 플라스틱 재료가 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42A-42C)에 사용된다. 어떤 실시예들에서는 고무, 엘라스토머(elastomer), 실리콘 고무 및 폴리우레탄 고무 등이 외부 가요성 멤브레인(44)에 사용된다. 다른 실시예들에서는, 비탄성 재료들이 외부 가요성 멤브레인(44)에 사용된다.
어떤 실시예들에서는, 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)은 외부 가요성 멤브레인(44) 보다 상당한 정도 더 얇다. 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)에 대하여 얇은 가요성 멤브레인들을 사용함으로써 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)에 의하여 외부 가요성 멤브레인(44)과 웨이퍼(W) 상의 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)의 경계 지역에 걸리는 압력 편차가 최소화된다. 한 예로서, 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)은 0.2 mm 보다 얇은 두께를 가지는 박막일 수 있다. 이 예에서, 외부 가요성 멤브레인(44)은 0.5 mm보다 두꺼운 박막일 수 있다. 다른 예로서, 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)은 0.06 mm와 0.09 mm 사이의 두께를 가지는 박막일 수 있다. 이 예에서, 외부 가요성 멤브레인(44)은 0.6 mm와 0.9 mm 사이의 두께를 가지는 박막일 수 있다.
도 2에 외부 가요성 멤브레인(44)과 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)이 보여진다. 도2는 상기 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들을 보여 주기 위하여 상기 외부 가요성 멤브레인이 부분적으로 잘려 나간 연마 헤드(10)의 밑면도이다. 도1에 도시된 것처럼, D1, D2 그리고 D3는 각각 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)의 폭이며, 따라서 환형 챔버들(46A-46C)의 폭들은 각각 제1, 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)에 의하여 정의된다. 이 폭들 (D1, D2, D3)은 각각 제1, 제2 및 제3 환형 디스크 (40A-40C)의 폭들에도 해당된다. 따라서 디스크들(40A-40C)의 폭들(D1, D2, D3)을 조절함으로써, 각각의 디스크들과 결부되는 환형 챔버들(46A-46C)의 폭들이 조절될 수 있다.
도1로 되돌아가서, 제1 환형 디스크(40A)와 베이스(14)는 제1 환형 챔버(46A)가 가압된 기체를 받을 수 있게끔 유체관(34A)을 통하여 밸브-레귤레이터 조립체(28)에 연결되도록 적어도 하나의 유체관(34A)을 포함한다. 제2 환형 디스크(40B)와 베이스(14)는 제2 환형 챔버(46B)가 가압된 기체를 받을 수 있도록 유체관(34B)을 통하여 밸브-레귤레이터 조립체(28)에 연결된다.
제3 환형 디스크(40C)와 베이스(14)는 제3 환형 챔버(46C)가 가압된 기체를 받을 수 있도록 유체관(34C)을 통하여 밸브-레귤레이터 조립체(28)에 연결된다. 상기 가압된 기체는 공기, 질소 또는 다른 기체들의 조합일 수 있다. 벨브-레귤레이터 조립체(28)는 다른 압력들을 가지는 기체가 각각의 유체관들(34A-34C)을 통하여 제1, 제2 및 제3 환형 챔버들(46A-46C)에 공급될 수 있게끔 기체의 압력을 조절한 다. 베이스(14)도 중앙 유체관(34D)을 포함하며, 이 유체관은 중앙 캐비티(50)에 진공/흡착을 제공하고 초순수를 공급하기 위하여 중앙 캐비티(50)를 외부 가요성 멤브레인(44)을 통하여 밸브-레귤레이터 조립체(28)로 연결한다. 유체관(34D)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 중앙에 위치하며 외부 가요성 멤브레인을 통하여 확장되는 개구부(35)를 포함한다. 베이스(14)는 적어도 하나의 유체관(34E)를 포함하며, 이 유체관은 진공/흡착을 공간(60)에 제공하기 위하여 외부 가요성 멤브레인(44)과 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C) 사이의 공간(60)을 밸브-레귤레이터 조립체(28)에 연결한다. 유체관(34E)은 필요할 때 환형 챔버들(46A-46C)이 효율적으로 수축될 수 있도록 공간(60)에 가해지는 진공/흡착을 제공한다.
한 실시예에서, 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)의 적어도 몇 개는 상기 멤브레인들이 늘어나거나 심하게 늘어나지 않은 채 팽창과 수축할 수 있도록 환형의 주름들을 포함하도록 구성된다. 도5는 환형 디스크(502)에 부착된 내부 환형 가요성 멤브레인(500)의 단면도를 보여준다. 멤브레인(500)은 상기 멤브레인의 내부 측벽(506)에 환형 주름(504)를 그리고 상기 멤브레인의 외부 측벽(510)에는 환형 주름(508)을 포함하도록 구성된다. 내부 측벽(506) 상의 주름(504)은 외부 측벽(510) 또는 환형 디스크(502)를 향하도록 바깥쪽으로 돌출되도록 구성된다. 외부 측벽(510) 상의 주름(508)은 내부 측벽(506) 또는 환형 디스크(502)를 향하도록 안쪽으로 돌출되도록 구성된다. 따라서, 주름들(504, 508)은 모두 환형 디스크(502)를 향하여 돌출된다. 이 실시예에서, 멤브레인(500)의 주름(504)은 환형 디스크(502)의 안쪽에 형성된 환형 리세스 영역(recess region, 512)를 향한다. 멤브레 인(500)의 주름(508)은 환형 디스크(502)의 바깥쪽에 형성된 환형 리세스 영역(514)를 향한다. 내부 환형 멤브레인(500)의 주름들(504, 508)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태와 유사한 기능을 제공한다. 내부 가요성 멤브레인(500)의 주름(504, 508)은 멤브레인(500)이 늘어나거나 심하게 늘어나지 않은 채 웨이퍼(W, 도5에 도시되지 않음)를 향하여 아래쪽으로 확장되며 또한 상기 웨이퍼로부터 위쪽으로 수축하는 것을 가능케 하여준다. 따라서 내부 환형 가요성 멤브레인(500)은 비탄성 재료로 만들어질 수 있으며 여전히 확장하거나 수축하는 등 적절하게 기능한다. 그러나 어떤 실시예들에서는 내부 환형 가요성 멤브레인(500)이 탄성 재료로 만들어질 수 있다.
도6A 및 도6B로 되돌아가서, 환형 디스크들(40B, 40C)에 의하여 각각 정의되는 제2 및 제3 환형 챔버들(46B, 46C)의 폭들을 조정하는 예가 기술된다. 도6A는 조인트 스크류(600)에 의하여 결합된 제2 및 제3 환형 디스크들(40B, 40C)의 제1 세트를 보여준다. 도6B는 조인트 스크류(600)에 의하여 결합된 제2 및 제3 환형 디스크들(40B, 40C)의 제2 세트를 보여준다. 도6A에서 제2 환형 디스크(40B)의 폭은 13 mm이고 제3 환형 디스크(40C)의 폭은 7 mm이다. 도6B에서 제2 환형 디스크(40B)의 폭은 17 mm로 변화되었고 제3 환형 디스크(40C)의 폭은 3 mm로 변하였다. 따라서 제2 및 제3 환형 챔버들(46B, 46C)의 폭들이 조정되었다. 그러나 제2 및 제3 환형 디스크들(40B, 40C)의 전체 폭은 변하지 않았다. 따라서 제2 및 제3 환형 챔버들(46B, 46C)의 폭들은 단지 환형 디스크들(40B, 40C) 그리고 부착된 내부 환형 가요성 멤브레인들(42B, 42C)을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 즉, 제2 및 제3 환 형 챔버들(46B, 46C)의 폭들을 조정하기 위하여 환형 디스크(40A)와 내부 환형 가요성 멤브레인(42A)은 변화될 필요가 없다.
도7A로 돌아가서, 본 발명의 실시예에 따른 밸브-레귤레이터 조립체(28)가 보여진다. 밸브-레귤레이터 조립체(28)은 매니폴드들(702A, 202B, 702C), 압력 레귤레이터(704A, 704B, 704C), 쓰리웨이 밸브(706) 및 물 포집기(708)을 포함한다. 매니폴드(702A)는 가압된 기체를 받기 위해 유체관(36A)에 연결된다. 매니폴드(702A)는 또한 유체관(36A)로부터 상기 압력 레귤레이터들로 상기 가압된 기체를 분배하기 위하여 압력 레귤레이터들(704A, 704B, 704C)에도 연결된다. 압력 레귤레이터들(704A, 704B, 704C)은 각각 유체관들(34A, 35B, 35C)을 통하여 제1, 제2 및 제3 환형 챔버들(46A, 46B, 46C)에 각각 연결된다. 압력 레귤레이터들(704A, 704B, 704C)는 매니폴드(702B)에도 연결되며, 매니폴드(702B)는 유체관(36B)에 연결된다. 압력 레귤레이터(704A)는 가압된 기체를 제1 환형 챔버(46A)로 선택적으로 보내도록 구성된다. 압력 레귤레이터(704A)는 또한 매니폴드(702B)를 거쳐서 유체관(36B)를 통하여 가압된 기체를 선택적으로 방출하도록 구성된다. 마찬가지로, 압력 레귤레이터들(704B, 704C)은 환형 챔버들(46B, 46C) 내부의 압력을 조정할 수 있다. 비록 도시되지는 않지만, 압력 레귤레이터들(704A-704C)은 전력과 컨트롤 신호들을 받기 위하여 전선들(32)을 통하여 컨트롤러(26)에 연결된다.
매니폴드(702C)는 진공/흡착을 제공하는 유체관(36C)에 연결된다. 매니폴드(702C)는 진공/흡착을 공간(60)에 제공하기 위하여 유체관(34E)을 거쳐서 외부 가요성 멤브레인(44)과 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C) 사이의 공간(60)에 도 연결된다. 공간(60)은 또한 공간(60)이 유체관(36B)에 연결될 수 있도록 매니폴드(702B)에도 연결될 수도 있다. 매니폴드(702C)는 중앙 캐비티(50)에 진공/흡착을 가하기 위하여 밸브(706)와 물 포집기(708)를 통하여 유체관(34D)에도 연결된다. 쓰리웨이 밸브(706)는 물 포집기(708)를 거쳐서 매니폴드(702C)와 중앙 캐비티(50)에 연결된다. 쓰리웨이 밸브(706)은 또한 초순수를 받을 수 있도록 유체관(36D)에도 연결된다. 따라서 밸브(706)는 선택적으로 중앙 캐비티(50)에 초순수를 공급하거나 중앙 캐비티(50)에 진공/흡착을 가할 수 있다. 도시되지는 않지만, 쓰리웨이 밸브(706)는 전력과 컨트롤 신호들을 받기 위하여 전선들(32, 도1에 도시된)을 통하여 컨트롤러(26)에 연결된다. 물 포집기(708)는 진공/흡착이 중앙 캐비티(50)에 가해질 때 중앙 캐비티(50)로부터의 오염된 물을 모아두기 위하여 유체관(34D)에 연결된다. 물 포집기(708)의 오염된 물은 적절한 때에 유체관(36D)을 거쳐서 받아지는 초순수에 의하여 중앙 캐비티(708)를 통하여 배출될 수 있다.
도7B로 돌아가서, 본 발명의 대체 실시에 따른 밸브-레귤레이터 조립체(28)의 구성 요소들이 보여진다. 이 대체 실시예에서 밸브-레귤레이터 조립체(28)는 쓰리웨이 밸브들(710A, 710B, 710C)를 더 포함한다. 쓰리웨이 밸브(710A)는 압력 레귤레이터(704A), 매니폴드(702C) 그리고 제1 환형 챔버(46A)에 연결된다. 매니폴드(702C)가 진공/흡착을 제공하는 유체관(36C)에 연결되므로, 쓰리웨이 밸브(710A)는 환형 챔버(46A)를 수축시키기 위하여 제1 환형 챔버(46A)에 흡착을 제공하도록 제1 환형 챔버(46A)를 매니폴드(702C)에 선택적으로 연결할 수 있다. 쓰리웨이 밸브(710B)는 압력 레귤레이터(704B), 매니폴드(702C) 및 제1 환형 챔버(46B)에 유사 하게 연결되며, 쓰리웨이 밸브(710C)는 압력 레귤레이터(704C), 매니폴드(702C) 및 제3 환형 챔버(46C)에 유사하게 연결된다. 따라서, 쓰리웨이 밸브(710B)는 상기 제2 환형 챔버를 수축시키기 위하여 상기 제2 환형 챔버에 흡착을 제공하도록 제2 환형 챔버(46B)를 매니폴드(702C)에 선택적으로 연결한다. 마찬가지로, 쓰리웨이 밸브(710C)는 상기 제3 환형 챔버를 수축시키기 위하여 상기 제3 환형 챔버에 흡착을 제공하도록 제3환형 챔버(46C)를 매니폴드(702C)에 선택적으로 연결한다
도1과 도8을 참조하여, 웨이퍼(W)를 연마 헤드(10)에 장착하고(loading), 상기 연마 헤드를 이용하여 상기 웨이퍼를 연마면(11) 상에서 연마하고 상기 연마 헤드로부터 상기 웨이퍼를 탈착하는(unloading) 과정들이 설명된다. 도8은 웨이퍼(W)가 헤드에 장착되어 있는 상태의 연마 헤드(10)의 수직 단면도이다. 도1에서 웨이퍼 캐리어(10)의 외부 가요성 멤브레인(44)은 웨이퍼(44)의 뒷면과 접촉하고 있다.
웨이퍼(W)를 연마헤드(10)에 장착하기 위하여, 흡착이 유체관(34D)을 통하여 중앙 캐비티(50)에 가해진다. 흡착은 또한 유체관(34E)를 통하여 내부 환형 맴브레인들(42A-42C)과 외부 가요성 멤브레인(44) 사이의 공간(60)에도 가해진다. 그 결과로서, 환형 챔버들(46A-46C)은 진공이 되며 환형챔버들(46A-46C)은 도 8에 도시된 것처럼 수축된다. 대안으로서 상기 환형 챔버들을 진공화하고 상기 환형 챔버들을 수축시키기 위해서 흡착이 유체관(34A-34C)을 통하여 환형 챔버들(46A-46C)에 직접 공급된다. 환형 챔버들(46A-46C)을 수축시키는 것을 더 돕기 위하여 흡착이 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)과 외부 가요성 멤브레인(44) 사이의 공간(60)에 가해질 수도 있다.
환형 챔버들(46A-46C)이 수축함에 따라 내부 환형 가요성 멤브레인(42A)과 외부 가요성 멤브레인(44)은 제1 환형 디스크(40A)의 원형 리세스 영역(304)으로 흡착되어, 이 원형 리세스 영역(304)에 맞도록 형태가 변형되는 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상에 큰 원형 디프레션(depression)을 형성한다. 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면에 형성되는 원형 디프레션은 효과적으로 중앙 캐비티(50)의 크기 또는 직경을 증가시킨다. 상기 흡착의 결과로서 진공이 외부 가요성 멤브레인(44)과 웨이퍼(W)의 뒷면 사이에서 중앙 캐비티(50)에 만들어지며, 이 진공이 상기 웨이퍼가 연마 헤드(10)로 장착되게 해 준다. 제1 환형 디스크(40A)의 원형 리세스 영역(304)은 웨이퍼(W)의 더 많은 지역이 상기 흡착에 노출되도록 해 주며, 이에 따라 상기 연마 헤드의 장착력(chucking power)이 증가된다. 원형 리세스 영역(304)은 연마 헤드(10)가 더 작은 중앙 캐비티(50)를 가지도록 해 준다. 한 예로서, 중앙 캐비티(50)의 직경은 5 mm 보다 더 작을 수 있으며 예를 들면 2.5 mm 이다. 기존의 연마 헤드에서는 유사한 중앙 캐비티의 직경은 상기 중앙 캐비티에 형성되는 흡착이 반도체 웨이퍼를 장착하기 위한 충분한 흡착력을 줄 수 있도록 보통 5 mm 보다 훨 씬 큰, 예를 들면 10 mm 정도이다. 상기 중앙 캐비티의 직경이 상대적으로 크기 때문에 기존의 연마 헤드는 상기 중앙 캐비티 아래에 위치하는 반도체 웨이퍼 상의 지역에 충분한 아래 방향 힘을 제공하기 위하여 웨이퍼 연마 과정 동안 상기 중앙 캐비티에 압력을 제공할 필요가 있을 수 있다. 그러나 중앙 캐비티(50)가 충분히 작기 때문에 연마 헤드(10)의 중앙 캐비티(50)에는 그러한 압력이 필요하지 않다.
연마면(11) 상에서 웨이퍼(W)를 연마하기 위하여 장착된 웨이퍼를 가지는 연마 헤드(10)가 상기 연마면 위로 이동된다. 연마 헤드(10)는 리테이너 링(16)이 상기 연마면을 접하도록 연마면(11) 상으로 낮추어진다. 다음 단계에서, 압력 레귤레이터들(704A-704C)를 통하여 환형 챔버들(46A-46C)로 같거나 다른 압력들을 가지는 가압된 기체들을 공급함으로써 제1, 제2 및 제3 환형 챔버들(46A-46C)이 부풀려진다. 그 결과로서, 환형 챔버들(46A-46C)이 부풀려져서 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면을 연마면(11) 쪽으로 밀며, 이에 따라 연마 과정에서 연마면(11) 상에서 웨이퍼에 같거나 다른 압력을 걸어준다.
이런 방식으로 웨이퍼(W)에 가해지는 압력들이 상기 웨이퍼의 구역에 따라 조절될 수 있다. 제1 환형 챔버(46A) 아래에 놓이는 중앙 지역에 걸리는 압력은 그 챔버에서의 압력에 의하여 조절된다. 제2 환형 챔버(46B) 아래에 놓이는, 상기 중앙 지역을 둘러 싸고 있는 중간 환형 구역에 걸리는 압력은 그 챔버에 의하여 조절된다. 제3 환형 챔버(46C) 아래에 놓이는, 상기 중간 지역을 둘러 싸고 있는 외부 환형 구역에 걸리는 압력은 그 챔버에 의하여 조절된다. 상기 각각의 구역들에 다른 압력들을 걸어줌으로써 상기 각각의 구역들에서의 연마 속도들이 개별적으로 조절될 수 있다.
외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면이 아래 방향으로 밀려남에 따라 외부 가요성 멤브레인(44)의 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태들의 형상이 그 높이가 줄어들도록 변화된다. 즉 외부 가요성 멤브레인(44)의 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태들은 적어도 부분적으로 펴진다. 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태(54, 56)의 이러한 변화들은 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면이 아래 방향으로 더 쉽게 움직이도록 해준다. 거꾸로 뒤집힌 U자 형태(54, 56)가 없으면, 외부 가요성 멤브레인(44)의 측벽들이 늘어나거나 잡아당겨질 필요가 있는데, 이는 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면이 아래 방향으로 쉽게 움직이지 못하게 한다.
연마 과정 동안에, 중앙 캐비티(50)에 걸렸던 흡착은 제거된다. 연마 과정에서 중앙 캐비티(50)에 걸린 흡착을 제거하는 대신에 상기 가해진 흡착이 웨이퍼가 빠져나감을 감지하는데 사용될 수 있다. 웨이퍼(W)가 연마 과정에서 연마 헤드(10)로부터 빠져나가면, 상기 흡착의 압력이 변화될 것이다. 이러한 압력 변화를 감지함으로써 웨이퍼의 빠져나감이 감지될 수 있다.
연마 과정이 마쳐진 후에 웨이퍼(W)를 잡기 위하여 상기 흡착이 중앙 캐비티(50)에 다시 가해진다. 상기 웨이퍼가 상기 흡착에 의하여 외부 가요성 멤브레인(44) 상에 걸리는 흡착에 의하여 잡혀지면, 가압된 기체가 더 이상 제1, 제2 및 제3 환형 챔버들(46A-46C)에 더 이상 가해지지 않는다. 아울러, 환형 챔버들(46A-46C)을 수축시키기 위하여 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)과 외부 가요성 멤브레인(44) 사이의 공간(60)에 또 다른 흡착이 걸리는데, 이 흡착이 외부 가요성 멤브레인(44)을 베이스(14)를 향하여 들어 올린다. 중앙 캐비티(50)에 가해지는 상기 흡착이 상기 웨이퍼를 베이스(14) 쪽으로 끌어 당기므로 상기 웨이퍼는 연마면(11)으로부터 들어올려지고 환형 챔버들(46A-46C)이 수축함에 따라 베이스(14) 쪽을 향하여 움직여진다.
외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면이 위로 움직임에 따라 외부 가요성 멤브레 인(44)의 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태들(54, 56)의 형상들이 그들의 원래의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태들로 복원된다.
다음 단계에서, 연마 헤드(10)가 웨이퍼 탈착(unload) 스태이션(도시되지 않음)으로 이송되고 상기 웨이퍼는 상기 웨이퍼 탈착 스테이션으로 탈착된다. 연마 헤드(10)로부터 상기 웨이퍼를 탈착하기 위하여 상기 흡착이 중앙 캐비티(50) 및 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)과 외부 가요성 멤브레인(44) 사이의 공간(60)에 더 이상 가해지지 않는다. 더 나아가서 상기 웨이퍼를 상기 웨이퍼 탈착 스테이션으로 탈착하기 위하여 가압된 기체가 각각의 유체관들(34A-34C)을 통하여 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)의 적어도 하나에 가해진다. 이 방법 대신에 상기 웨이퍼를 상기 웨이퍼 탈착 스테이션으로 탈착하기 위하여 초순수가 유체관(34D)을 거쳐서 중앙 캐비티(50)를 통하여 상기 웨이퍼 상에 가해질 수 있다.
도9로 돌아가서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)이 보여진다. 이 실시예에서 환형 디스크들(40A-40C)의 적어도 몇 개는 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)을 포함하도록 구성된다. 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)의 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)은 도3A와 도3B에 도시된 것처럼 제1 환형 디스크(40A)의 리세스 영역과 유사하다. 제1, 제2 및 제3 환형 디스크들(40A-40C)의 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)은, 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)은 물론 외부 가요성 멤브레인(44)이 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)이 수축되고 흡착이 환형 챔버들(46A-46C)의 하나 또는 그 이상 및/또는 내부 환형 가요성 멤브레인들(42A-42C)과 외부 가요성 멤브레 인(44) 사이의 공간(60)에 가해질 때, 외부 가요성 멤브레인(44)이 상호 연결된 리세스 영역들(900A-900D)에 맞도록 형태가 변하도록 해준다.
도10에 도시된 것처럼, 외부 가요성 멤브레인(44)이 상기 가해진 흡착으로 인하여 서로 연결된 리세스 영역들(900)에 맞도록 형태가 변할 때 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면은 서로 연결된 디프레션들(depressions, 1002A-1002D)을 형성하며, 웨이퍼가 상기 외부 가요성 멤브레인과 접하고 있을 때 이 디프레션들이 유체관(34D)의 개구부(35)를 통하여 서로 연결된 디프레션(1002A-1002D)에 진공이 형성되게 하여준다. 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900C)이 환형 디스크들(40A-40C)에 걸쳐서 분포되어 있으므로 이에 해당하는 서로 연결된 디프레션들 역시 외부 가요성 멤브레인(44)의 밑면 전체에 걸쳐서 분포된다. 따라서 웨이퍼가 외부 가요성 멤브레인(44)과 접하고 있고 흡착이 서로 연결된 디프레션들(1002A-1002D)로 가해질 때 진공이 상기 웨이퍼의 뒷면 대부분에서 형성되어 가해질 수 있다. 서로 연결된 디프레션들(1002A-1002D)에서의 진공은 서로 연결된 디프레션들(1002A-1002D)의 지역에 해당하는 상기 웨이퍼 상의 넓은 지역에 걸쳐서 상기 웨이퍼와 외부 가요성 멤브레인(44) 사이에 결합을 만들어낸다.
도9에서 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)은 환형 디스크(40A)의 밑면 상에 위치하는 원형 리세스 영역(900A)과 환형 리세스 영역들(900B, 900C)을 포함한다. 아울러, 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)은 환형 디스크(40B)의 밑면 상에 위치하는 환형 리세스 영역(900D)를 포함한다. 이 도시된 실시예에서는 환형 디스크(40C)의 밑면에는 리세스 영역이 없다. 그러나 다른 실시예들에서는 환형 디 스크(40C)가 하나 또는 그 이상의 서로 연결된 리세스 영역들을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 환형 디스크들(40A-40C)은 서로 연결된 리세스 영역들(900A-900D)과는 다른 형상을 가지는 서로 연결된 리세스 영역들을 가질 수 있다. 한 예로서 하나 또는 그 이상의 환형 디스크들(40A-40C)은 방사상으로 확장되는 서로 연결된 리세스 영역들을 가질 수 있다. 다른 예로서, 하나 또는 그 이상의 환형 디스크들(40A-40C)은 기하학적인 형상을 가지는 서로 연결된 리세스 영역들을 가질 수 있다.
도9의 환형 디스크들(40A-40C)을 가지는 연마 헤드의 작동은 도1의 연마 헤드(10)의 작동과 유사하다. 따라서 웨이퍼 장착, 도9의 환형 디스크들(40A-40C)을 가지는 연마 헤드를 사용한 연마 공정과 웨이퍼 탈착 과정은 도1의 연마 헤드(10)을 사용하는 공정들과 유사하다.
도1 또는 도9의 환형 디스크들(40A-40C)을 사용하는 연마 헤드(10)에 대한 우려는 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42C)에 이하여 정의되는 제3 환형 챔버가 제3 환형 챔버(46C)에서의 압력이 제2 환형 챔버(46B)에서의 압력보다 훨씬 클 때 지나치게 팽창할 수 있다는 점이다. 그 결과로서, 도2에 도시된 것처럼 제3 환형 챔버(46C)의 두께가 바람직한 두께(D3)보다 더 커질 수도 있다.
도11A로 돌아와서 본 발명의 실시예에 따른 외부 가요성 멤브레인(44)의 일부가 보여진다. 이 실시예에서 외부 가요성 멤브레인(44)은 베이스(14)를 향하여 위쪽으로 확장하는 환형 플랩(45)을 포함한다. 환형 플랩(45)은 상기 환형 플랩이 제2 및 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42B, 42C)의 인접한 측벽들 사이에 위치되 도록 외부 가요성 멤브레인(44)의 하부(49)의 윗면(47)에 부착된다. 환형 플랩(45)은 제2 내부 환형 가요성 멤브레인(42B)에 의하여 만들어지는 제2 환형 챔버(46B)와 제3 내부 환형 가요성 멤브레인(42C)에 의하여 만들어지는 제3 환형 챔버(46C) 사이에, 상기 제3 환형 챔버(46C)가 제2 환형 디스크(40B)의 밑면 아래의 지역에서 제2 환형 챔버 쪽으로 지나치게 팽창하지 못하도록, 장벽을 제공한다. 따라서 외부 가요성 멤브레인(44)의 환형 플랩(45)은 제3 환형 챔버의 압력이 제2 환형 챔버(46B)의 압력보다 훨씬 클 때에도 제3 환형 챔버(46C)의 두께(D3)를 유지하도록 도와주며, 이는 연마 헤드(10)가 연마 과정에서 제3 환형 챔버에 의하여 영향을 받는 상기 웨이퍼 상의 지역을 조절하게 해 준다. 도11A에 보여지는 실시예에서 환형 플랩(45)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 일부이다. 즉 환형 플랩(45)을 가지는 외부 가요성 멤브레인(44)은 하나의 물질로 만들어진다. 즉, 이 실시예에서 환형 플랩(45)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 나머지 부분과 같은 물질로 만들어진다.
대체 실시예에서, 외부 가요성 멤브레인(44)의 환형 플랩(45)은 도11B에 도시된 것처럼 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면(99)에 부착되는 별개의 것일 수 있다. 이 실시예에서 외부 가요성 멤브레인(44)의 하부(49)는 그 윗면(47) 상에 환형 홈을 포함한다. 환형 플랩(45)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 하부(49)의 환형 홈(51)에 위치한다. 환형 플랩(45)은 접착제를 사용하여 외부 가요성 멤브레인(44)의 하부에 부착될 수 있다. 이 실시예에서 환형 플랩(45)은 외부 가요성 멤브레인(44)의 나머지 부분과는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 예를 들면 환형 플랩(45)은 제2 환형 챔버(46B)와 제3 환형 챔버(46C) 사이에 더 강한 장벽층을 제공 하기 위하여 외부 가요성 멤브레인(44, 44)의 나머지 부분의 물질보다 더 단단한 물질로 만들어 질 수 있다.
도12의 공정 흐름도를 참조하여 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 다루고 연마하는 방법이 기술된다. 블록(1202)에서 상기 연마 헤드는 상기 연마 헤드의 상기 외부 가요성 멤브레인이 상기 반도체 웨이퍼의 한 면에 가까워지도록 이동된다. 다음 블록(1204)에서 상기 외부 가요성 멤브레인과 상기 연마 헤드의 베이스 구조물에 의하여 정의되는 상기 연마 헤드의 챔버에 흡착이 가해진다. 상기 베이스 구조물은 상기 베이스 구조물의 하부에 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하도록 구성된다. 상기 챔버에 상기 흡착을 가하면 적어도 하나의 디프레션이 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상에 형성되도록 상기 외부 가요성 멤브레인이 상기 베이스 구조물의 상기 적어도 하나의 리세스 영역에 맞도록 형태가 변한다. 다음 블록(1206)에서 상기 반도체 웨이퍼를 상기 연마 헤드의 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 장착하기 위하여 또 다른 흡착이 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상의 상기 적어도 하나의 디프레션에 가해진다.
본 발명의 특정한 실시예들이 설명되고 도시되었으나, 본 발명은 설명되고 도시된 특정한 형태나 배열 등에 제한되지 않는다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그들의 등가물들에 의하여 규정된다.
본 발명은 반도체 소자의 제조 과정에서 표면 연마를 위해 사용되는 연마 장치의 연마 헤드에 적용될 수 있다.

Claims (26)

  1. 밑면을 가지며, 상기 밑면에 적어도 하나의 리세스 영역(recess region)을 포함하도록 구성된 베이스 구조물;
    상기 베이스 구조물 아래 쪽에 위치하여 상기 베이스 구조물과 함께 상기 베이스 구조물 아래 쪽에 챔버를 정의하도록 구성된 외부 가요성 멤브레인;
    상기 외부 가요성 멤브레인의 아래 면에 적어도 하나의 디프레션(depression)이 형성되도록 상기 외부 가요성 멤브레인이 상기 베이스 구조물의 상기 적어도 하나의 리세스 영역에 맞추어 형태가 변할 수 있도록 상기 챔버의 적어도 일부에 흡착을 걸어 주기 위하여 상기 챔버에 연결된 제1 유체관; 및
    상기 흡착이 상기 챔버에 가해질 때 제2 유체관의 개구부가 상기 적어도 하나의 디프레션에 위치하도록 상기 외부 가요성 멤브레인을 관통하여 나오도록 구성되며, 반도체 웨이퍼를 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 장착하기 위하여 상기 적어도 하나의 디프레션에 또 다른 흡착을 걸어 주기 위하여 사용되는 상기 제2 유체관;
    을 포함하는 연마 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디프레션이 원형 디프레션을 포함하도록 상기 적어도 하나의 리세스 영역이 상기 베이스 구조물의 중심 근처에 원형 리세스 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디프레션이 서로 연결된 디프레션들을 포함하도록 상기 적어도 하나의 리세스 영역이 서로 연결된 리세스 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 서로 연결된 리세스 영역들이 하나 또는 그 이상의 환형 리세스 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베이스 구조물이 베이스 및 상기 베이스에 부착되는 복수 개의 환형 디스크들을 포함하며, 상기 환형 디스크들의 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베이스 구조물에 부착되는 하우징과 상기 하우징 내부에 위치하는 밸브-레귤레이터 조립체를 더 포함하며 상기 밸브-레귤레이터 조립체는 상기 제1 및 제2 유체관들에 연결되는 것을 특징으로하는 연마 헤드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하우징 아래에 위치하는 리테이너 링과 상기 하우징과 상기 리테이너 링 사이에 위치하는 원형 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  8. 제7항에 있어서, 상기 리테이너 링과 상기 하우징에 부착되는 플랙셔(flexure)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 외부 가요성 멤브레인은 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 베이스 구조물에 부착되는 복수 개의 내부 환형 가요성 멤브레인을 더 포함하며, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들은 상기 외부 가요성 멤브레인 내에 위치하며, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들의 각각은 유체관과 연결되는 환형 챔버를 정의하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 외부 가요성 멤브레인은 상기 베이스 구조물을 향하여 확장되도록 구성된 환형 플랩을 포함하며, 상기 환형 플랩은 상기 내부 환형 가요성 멤브레인의 인접한 측벽들 사이에 위치되는 것을 특징으로하는 연마 헤드.
  12. 제10항에 있어서, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들의 두께들은 상기 외부 가요성 멤브레인의 두께보다 더 얇은 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  13. 제10항에 있어서, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들은 측벽에 환형 주름을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  14. 제1항에 있어서, 상기 베이스 구조물은 베이스 및 상기 베이스에 부착된 적어도 제1 및 제2 환형 디스크들을 포함하며, 상기 제1 환형 디스크의 바깥쪽 가장자리는 계단 구조를 포함하도록 구성되고, 상기 제2 환형 디스크의 안쪽 가장자리는 뒤집어진 계단 구조를 포함하며, 상기 제1 환형 디스크의 상기 계단 구조가 상기 제2 환형 디스크의 상기 뒤집어진 계단 구조에 맞도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  15. 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법에 있어서,
    상기 연마 헤드의 외부 가요성 멤브레인이 적어도 상기 반도체 웨이퍼의 한 면에 접근하도록 상기 연마 헤드를 이동하는 단계;
    상기 외부 가요성 멤브레인과 밑면에 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하도록 구성된 상기 연마 헤드의 베이스 구조물에 의하여 정의되는, 상기 연마 헤드의 챔버의 적어도 일부에, 적어도 하나의 디프레션이 상기 외부 가요성 멤브레인의 밑면 상에 형성되도록 상기 외부 가요성 멤브레인이 상기 베이스 구조물의 상기 적어도 하나의 리세스 영역에 맞추어 형태가 변하도록 상기 챔버의 적어도 일부에 흡착을 걸어주는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼를 상기 연마 헤드의 상기 외부 가요성 멤브레인 상에 장착하기 위하여 상기 외부 가요성 멤브레인의 상기 밑면에 상기 적어도 하나의 디프레션에 흡착을 걸어주는 단계;
    를 포함하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,상기 적어도 하나의 디프레션이 원형 디프레션을 포함하도록 상기 적어도 하나의 리세스 영역이 상기 베이스 구조물의 중심 근처에 원형 리세스 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디프레션이 서로 연결된 디프레션을 포함하도록 상기 적어도 하나의 리세스 영역이 서로 연결된 리세스 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 베이스 구조물의 상기 서로 연결된 리세스 영역들이 하나 또는 그 이상의 원형 리세스 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 베이스 구조물이 베이스와 상기 베이스에 부착된 여러 개의 환형 디스크들을 포함하며, 상기 환형 디스크들의 적어도 일부가 상기 적어도 하나의 리세스 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 연마 헤드는 하우징과 리테이너 링을 포함하며, 상기 하우징과의 사이에서 상기 리테이너 링 위에 놓이는 밀폐된 환형 튜브를 더 포함하며, 상기 리테이너 링 위에 놓이는 상기 밀폐된 환형 튜브에서 상기 연마 헤드의 상기 리테이너 링의 진동들을 흡수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 외부 가요성 멤브레인의 환형의 거꾸로 뒤집힌 U자 형태부를 곧게 펴는 단계를 포함하여 상기 외부 가요성 멤브레인을 늘리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 연마 헤드의 환형 챔버들로 가압된 기체를 제공하며, 상기 환형 챔버들은 여러 개의 내부 환형 가요성 멤브레인들과 상기 베이스 구조물에 의하여 정의되며, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들은 상기 외부 가요성 멤브레인 내부에 놓이는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 가압된 기체를 제공하는 단계가 상기 가압된 기체를 사용하여 상기 환형 챔버들에서의 압력들을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 특정한 환형 챔버와 결합된 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들 중 하나의 환형 주름을 곧게 펴는 것을 포함하여 상기 환형 챔버들의 상기 특정한 환형 챔버를 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  25. 제15항에 있어서, 상기 챔버의 적어도 상기 일부로 흡착을 걸어 주는 단계가 상기 외부 가요성 멤브레인과 복수 개의 내부 환형 가요성 멤브레인들 사이의 공간에 상기 흡착을 걸어주는 단계를 포함하며, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들은 상기 외부 가요성 멤브레인 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
  26. 제15항에 있어서, 상기 흡착을 상기 챔버의 적어도 상기 일부에 걸어주는 단계가 상기 연마 헤드의 환형 챔버들의 적어도 하나에 흡착을 걸어주는 단계를 포함하며, 상기 환형 챔버들은 복수 개의 내부 환형 가요성 멤브레인들과 상기 베이스 구조물에 의하여 정의되며, 상기 내부 환형 가요성 멤브레인들은 상기 외부 가요성 멤브레인 내에 놓이는 것을 특징으로 하는 연마 헤드를 사용하여 반도체 웨이퍼를 취급 및 연마하는 방법.
KR1020087024319A 2006-03-03 2007-03-01 반도체 웨이퍼들을 연마하기 위한 연마 헤드 KR101042559B1 (ko)

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