KR101239377B1 - 캐리어 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서, 외부에 위치한 구동축과 연동되어 회전 구동되고, 상기 캐리어 헤드의 상측에 위치한 구동체와; 상기 구동체의 회전력이 전달되어 회전 구동되는 환상 형태(annular shape)의 하측 베이스와, 상기 하측 베이스의 상측에 위치하고 상방으로의 변위가 구속되게 설치된 환상 형태의 상측 베이스와, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 사이 간격을 멀리 떨어지게 하는 힘이 작용하는 조절 수단과, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 양측에 고정되어 이들을 연결하는 가요성 재질의 환형 밀봉링을 구비한 연결 베이스와; 상기 하측 베이스에 고정되는 리테이너 링을; 포함하여 구성되어, 리테이너 링의 반복 사용에 따라 하측이 점진적으로 마모되더라도, 리테이너 링의 마모량에 비례하여 하방으로 이동하여 CMP장비의 플래튼 패드와 밀착한 상태를 유지하면서 밀봉성을 우수하게 유지할 수 있는 캐리어 헤드를 제공한다.

Description

캐리어 헤드{CARRIER HEAD}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 리테이너 링의 마모량에 부합하게 리테이너 링을 하방으로 이동시키면서도, 공압에 의해 제어되는 내측 공간의 밀봉성을 확실하게 확보할 수 있는 캐리어 헤드에 관한 것이다.

화학기계적 연마(CMP) 장치는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.

이러한 CMP 장치에 있어서, 캐리어 헤드는 웨이퍼 상에 제어 가능한 힘을 가하면서 웨이퍼를 회전시켜 웨이퍼의 표면을 정밀 연마하는 데 사용된다. 최근에는 웨이퍼 표면의 연마 두께를 보다 정교하게 제어하기 위하여, 웨이퍼의 영역별로 압력을 제어하는 기술이 제안되기도 하였다. 이를 위해서는, 웨이퍼의 영역에 따라 구분된 분할 챔버를 형성해야 하므로, 분할 챔버를 형성하고 분할 챔버 별로 공압을 공급하기 위한 멤브레인 홀더가 캐리어 헤드 중앙부 하측에 위치한다.

연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 잡아주거나 수용하는 부품으로서 멤브레인(membrane)이 주로 사용되고 있다. 그리고, 캐리어 헤드는 웨이퍼의 정밀 연마 공정 중에 웨이퍼를 안정되게 제 위치에 유지시키기 위하여 웨이퍼의 둘레를 감싸는 리테이너 링이 구비된다.

리테이너 링은 회전하는 플래튼 패드 상의 슬러리를 웨이퍼에 공급하는 통로로서 다수의 홈이 반경 방향을 관통하여 형성되고, 웨이퍼를 감싸는 위치에서 플래튼 패드에 소정의 힘으로 가압된 상태가 유지된다. 이에 따라, 리테이너 링은 반복 사용에 따라 마모되며, 마모에도 불구하고 일정한 성능을 발휘하기 위하여, 마모량에 따라 하방으로 이동하면서 CMP장비의 플래튼 패드 상을 가압한다. 그리고, 마모량이 미리 정해진 범위를 넘어서면 새로운 리테이너 링으로 교체된다.

이와 관련하여, 종래에는 리테이너 링의 마모에 따라 리테이너 링의 마모 상태에 따라 하방으로 충분히 이동하지 못하거나, 마모량이 커지면 리테이너 링의 이동 거리에 제한이 있는 경우가 있었다. 따라서, 리테이너 링의 마모량에 따라 리테이너 링이 하방으로 이동할 뿐만 아니라, 리테이너 링의 마모량이 충분히 크더라도 충분한 변위 만큼 리테이너 링이 하방으로 이동할 수 있는 구조의 캐리어 헤드의 필요성이 절실히 대두되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 리테이너 링의 마모량에 부합하게 리테이너 링을 하방으로 안정되게 이동시킬 수 있는 캐리어 헤드를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 리테이너 링의 마모량이 충분히 크더라도 충분한 변위만큼 리테이너 링이 하방으로 이동할 수 있도록 하면서 밀봉 성능이 저하되지 않는 구조를 구현하는 것이다.

그리고, 본 발명의 목적은 리테이너 링을 상하 방향으로 이동시키는 데 있어서, 항상 일정한 상하 방향으로 안정적으로 이동시키는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서, 외부에 위치한 구동축과 연동되어 회전 구동되고, 상기 캐리어 헤드의 상측에 위치한 구동체와; 상기 구동체의 회전력이 전달되어 회전 구동되는 환상 형태(annular shape)의 하측 베이스와, 상기 하측 베이스의 상측에 위치하고 상방으로의 변위가 구속되게 설치된 환상 형태의 상측 베이스와, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 사이 간격을 멀리 떨어지게 하는 힘이 작용하는 조절 수단과, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 양측에 고정되어 이들을 연결하는 가요성 재질의 환형 밀봉링을 구비한 연결 베이스와; 상기 하측 베이스에 고정되는 리테이너 링을; 포함하여 구성된 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

이는, 리테이너 링의 반복 사용에 따라 하측이 점진적으로 마모되면, 리테이너 링의 마모량에 비례하여 하방으로 이동하여 CMP장비의 플래튼 패드와 밀착한 상태를 유지하면서 웨이퍼를 제위치에 위치시키고 슬러리를 일정양 만큼씩 웨이퍼에 공급되도록 하는 작용이 이루어져야 하는데, 상기와 같이 상측 베이스와 하측 베이스의 사이에 조절 수단에 의해 하측 베이스가 하방으로 이동하는 힘이 작용함에 따라, 하측 베이스에 연결되는 리테이너 링이 마모되더라도 일정한 힘으로 CMP장비의 플래튼 패드에 가압되어 밀착 상태를 유지할 수 있게 된다.

이 뿐만 아니라, 가요성 재질의 환형 밀봉링이 상측 베이스와 하측 베이스의 양측을 연결하여 밀폐시킴으로써, 공압 제어되는 환형 밀봉링의 내측에 공간을 2겹으로 차단시켜 보다 견고하게 공압이 제어 공간의 밀폐 성능을 확보할 수 있다.

상기 환형 밀봉막은 상기 상측 베이스에 고정된 위치의 양단부의 근방에는 상방으로 굴곡지게 형성된 상측 굴곡부가 형성되고, 상기 환형 밀봉막의 상기 상측 굴곡부를 수용하도록 상기 상측 베이스의 양측에는 상방으로의 공간을 마련하는 절개부를 구비된다. 이에 따라, 환형 밀봉막이 고정 설치되는 좁은 공간 내에 보다 환형 밀봉막의 단면 길이가 보다 길어지므로, 상측 베이스와 하측 베이스 사이의 간격을 보다 멀게 이격시키더라도 환형 밀봉막에 국부적인 인장력이 작용하지 않으므로 환형 밀봉막의 손상을 방지할 수 있다.

이 때, 상기 환형 밀봉막의 상기 상측 굴곡부의 선단부는 상측 베이스의 하면에 접합 고정되어, 상측 베이스와 하측 베이스 사이의 간극이 멀어지더라도 환형 밀봉막의 형상이 전체적으로 틀어지지 않고 미리 예정된 형태로 변형되도록 한다. 이에 따라, 환형 밀봉막이 인접한 부재에 끼어 손상되는 것을 방지할 수 있다.

상기 환형 밀봉막의 상측 끝단이 상측 베이스와 제1고정부재의 사이에 수용되고, 상측 베이스와 제1고정부재가 볼트 등의 견고한 체결 방식으로 고정되는 것에 의해, 환형 밀봉막은 상측 베이스에 고정된다. 이 때, 제1고정부재에는 상기 환형 밀봉막의 상측 끝단이 수용되는 요홈이 형성되어, 환형 밀봉막의 상측 끝단은 요홈에 클램핑된 상태로 밀봉 고정된다.

마찬가지로, 환형 밀봉막의 하측이 하측 베이스와 제2고정부재의 사이에 수용되고, 하측 베이스와 제2고정부재가 볼트 등의 견고한 체결 방식으로 고정됨으로써, 환형 밀봉막은 하측 베이스에 고정된다. 이 때, 환형 밀봉막이 하나의 형태로 형성되는 것이 환형 밀봉막을 상측 베이스와 하측 베이스에 고정 설치하는 것이 보다 편리하다. 이 때, 환형 밀봉막이 하측 연결부는 하측 베이스와 제2고정부재의 사이에 위치하며, 하측 베이스와 제2고정부재의 사이 틈새로 공기가 새는 것을 방지하기 위하여, 하측 베이스 또는 제2고정부재의 마주보는 면에는 환형 돌기가 돌출 형성된다. 이를 통해, 하측 베이스와 제2고정부재 사이의 밀봉성이 보다 향상된다.

한편, 상측 베이스에는 환형 밀봉막의 상측 굴곡부를 수용하기 위하여 양측에 상방으로 절개된 영역이 구비됨에 따라, 상측 베이스와 하측 베이스가 서로 멀리 떨어지는 변위가 발생되면, 이 변위를 수용하는 환형 밀봉막의 변형 영역이 충분히 길게 형성될 수 있다. 이 때, 상기 환형 밀봉막의 변형 영역인 상기 상측 굴곡부의 하측에 'S'자 형태로 굴곡진 횡측 굴곡부가 형성된다. 이에 따라, 상측 베이스와 하측 베이스가 보다 멀리 이격되더라도 환형 밀봉막에 과도한 힘이 도입되지 않으면서 밀봉 상태를 유지할 수 있게 된다.

이 때, 상측 베이스와 하측 베이스가 오작동에 의해 충돌하더라도, 밀봉링이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 중 어느 하나 또는 모두에 서로를 향하여 돌출된 돌출부가 구비되어 스토퍼 역할을 한다. 이와 같은 스토퍼에 의해 오작동에 의해 밀봉링이 파손되지 않는다.

상측 베이스와 하측 베이스의 외측에는 상기 환형 밀봉막을 감싸는 보호 커버가 상측 베이스와 하측 베이스 중 어느 하나 이상에 형성되어, 환형 밀봉막이 외부에 드러나는 것을 방지한다.

상기 조절 수단은 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 중 어느 하나 이상에 형성된 공기 통로를 포함하여, 이 공기 통로에 압축 공기를 인가하거나 압축 공기를 배출하는 것에 의해 상측 베이스와 하측 베이스 사이의 간격을 조절할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상측 베이스와 하측 베이스의 사이에 설치된 압축 설치된 코일 스프링이나 휨 변형을 갖고 설치된 판 스프링 등의 탄성체로 설치될 수도 있으며, 상측 베이스와 하측 베이스 사이의 간격을 조절하는 리드 스크류와 같은 구동 수단으로 구성될 수도 있다.

그리고, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 상하 방향으로의 상대 이동을 안내하는 가이드 핀이 상기 상측 베이스의 일부 이상과 상기 하측 베이스의 일부 이상을 관통 설치된다. 이를 통해, 공기 통로를 통해 환형 밀봉 챔버에 압축 공기가 미리 정해진 것보다 더 많이 주입되면, 환형 밀봉 챔버 내의 공기가 팽창하면서 상측 베이스와 하측 베이스가 서로 멀리 떨어지게 하는 힘이 작용하여, 상,하측 베이스의 이격 거리를 조절할 수 있게 된다.

이 때, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 상하 방향으로의 상대 이동을 안내하는 가이드 핀이 상기 상측 베이스의 일부 이상과 상기 하측 베이스의 일부 이상을 관통 설치되어, 상측 베이스와 하측 베이스는 수직 방향으로만 상대 이동을 하게 된다. 따라서, 상,하측 베이스의 이격 거리에 따라 상하로 이동 구동되는 리테이너 링은 항상 일정한 상하 방향으로만 신뢰성있게 이동 구동된다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '내측'이라는 용어는 원주면에서 회전 중심을 향하는 방향을 의미하며, '외측'이라는 용어는 회전 중심으로부터 반경 방향으로 바깥 방향을 의미하는 의미로 정의하기로 한다.

그리고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '내주면'이란 용어는 환상 형태(annular shape)의 최내측의 표면 뿐만 아니라 내측을 향하는 면(경사지게 향하는 면을 포함한다)을 통칭하는 의미로 정의하기로 한다. 마찬가지로, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '외주면'이란 용어는 환상 형태(annular shape)의 최외측의 표면 뿐만 아니라 외측을 향하는 면(경사지게 향하는 면을 포함한다)을 통칭하는 의미로 정의한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '밀봉' 및 이와 유사한 용어는 공기가 통과할 수 없는 상태로 정의한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '환형' 및 이와 유사한 용어는 캐리어 헤드의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 궤적이 형성되는 형상을 지칭한다.

본 발명에 따르면, 구동체의 회전력이 전달되어 회전 구동되는 환상 형태(annular shape)의 하측 베이스와, 상기 하측 베이스의 상측에 위치하고 상방으로의 변위가 구속되게 설치된 환상 형태의 상측 베이스와, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 사이 간격을 멀리 떨어지게 하는 힘이 작용하는 조절 수단과, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 양측에 고정되어 이들을 연결하는 가요성 재질의 환형 밀봉링을 구비함으로써, 리테이너 링의 반복 사용에 따라 하측이 점진적으로 마모되더라도, 리테이너 링의 마모량에 비례하여 하방으로 이동하여 CMP장비의 플래튼 패드와 밀착한 상태를 유지하면서 웨이퍼를 제위치에 위치시키고 슬러리를 일정양 만큼씩 웨이퍼에 공급하도록 할 수 있는 캐리어 헤드를 제공한다.

특히, 본 발명은 상기 작용을 수행하면서 상측 베이스와 하측 베이스의 양측을 가요성 재질의 환형 밀봉링으로 연결하여 밀폐시킴으로써, 공압 제어되는 환형 밀봉링의 내측에 공간을 2겹으로 차단시켜 보다 견고하게 공압이 제어 공간의 밀폐 성능을 확보할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상측 베이스에 환형 밀봉막의 상측 굴곡부를 수용하기 위하여 양측에 상방으로 절개된 영역이 구비됨에 따라, 환형 밀봉막의 변형될 수 있는 영역이 상하 방향으로 충분히 길게 형성되어, 상측 베이스와 하측 베이스가 서로 멀리 떨어지는 변위(스트로크)가 크게 발생되더라도, 환형 밀봉막의 S자 형태로 굴곡진 횡측 굴곡부가 이 변위를 수용함에 따라, 리테이너 링의 소모 두께가 크더라도 이를 수용하면서 환형 밀봉막에 과도한 힘이 도입되지 않아 환형 밀봉막의 손상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드를 분해한 일부 절개 분해 사시도
도2는 도1의 연결 베이스와 구동체를 일부 절개한 분해 사시도
도3은 도1의 캐리어헤드의 조립 상태의 반단면도
도4는 도1의 'A' 부분의 확대도
도5는 도3의 'B' 부분 중 공기 통로가 형성되지 않은 단면의 확대도로서 상측 베이스와 하측 베이스가 밀착된 상태를 도시한 도면
도6은 도3의 'B' 부분 중 공기 통로가 형성되지 않은 단면의 확대도로서 상측 베이스와 하측 베이스가 이격된 상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드를 분해한 일부 절개 분해 사시도, 도2는 도1의 연결 베이스와 구동체를 일부 절개한 분해 사시도, 도3은 도1의 캐리어헤드의 조립 상태의 반단면도, 도4는 도1의 'A' 부분의 확대도, 도5는 도3의 'B' 부분의 확대도로서 상측 베이스와 하측 베이스가 밀착된 상태를 도시한 도면, 도6은 도3의 'B' 부분의 확대도로서 상측 베이스와 하측 베이스가 이격된 상태를 도시한 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는, 외부의 구동축(미도시)에 의해 회전 구동되어 캐리어 헤드의 상측에서 회전하는 구동체(110)와, 구동체(110)에 연결핀(160)에 의해 회전력이 전달되어 회전 구동되는 연결 베이스(120)와, 연결 베이스(120)의 하측에 고정되는 환형 리테이너링(130)과, 연결 베이스(120)의 내주면의 돌출부(122)와 맞물리는 수용부(142)에 의해 회전력이 전달되어 회전 구동되는 멤브레인 홀더(140)와, 멤브레인 홀더(140)와의 사잇 공간에 다수의 분할 챔버(C1, C2, C3, C4)가 형성되도록 구획벽이 환형으로 판면에 돌출 형성된 멤브레인(150)과, 캐리어 헤드(100)의 상면과 측면의 일부를 덮는 헤드 커버(170)로 구성된다.

상기 구동체(110)는 도면에 도시가 생략되었지만 공압을 전달하는 다수의 배관이 끼워져 공압을 여러 위치에 전달할 수 있는 공압 통로가 마련되고, 외부에 위치한 구동축에 의해 회전 토크가 전달되어 회전 구동된다.

상기 연결 베이스(120)는 구동체(110)와 수직으로 관통하는 연결핀(160)에 의해 구동체(110)의 회전력이 전달되어 회전한다.

연결 베이스(120)는 하측에 리테이너 링(130)과 결합하는 하측 베이스(120a)와, 하측 베이스(120a)를 하방으로 가압하는 상측 베이스(120b)로 이루어진다.

리테이너 링(130)과 결합하는 하측 베이스(120a)의 저면에는 원주 전체에 걸쳐 경사진 면으로 이루어진 베이스 경사면(121)이 형성된다. 그리고, 베이스 경사면(121)을 관통하는 관통공이 원주 방향을 따라 서로 간격을 두고 다수 형성된다. 이 때, 볼트, 나사, 핀 등의 고정 수단(99)은 리테이너 링(130)을 상하 방향으로 붙잡아주는 역할을 하며, 대략 45도 내지 90도 간격으로 원주 방향을 따라 형성된다.

도3에 도시된 바와 같이, 상측 베이스(120b)는, 구동체(110)에 의해 상방으로의 이동이 제한되게 설치된 상측 베이스 몸체(125)와, 한 쌍의 요홈이 형성되어 상측 베이스 몸체(125)에 고정되는 제1고정부재(126)와, 제1고정부재(126)의 요홈에 양단(127x)이 삽입된 상태로 상측 베이스 몸체(125) 및 제1고정부재(126)의 사이에 클램핑 고정되는 환형 밀봉링(127)과, 하측 베이스(120a)와의 사이에 환형 밀봉링(127)을 위치시킨 상태로 하측 베이스(120a)에 고정되는 제2고정부재(124)로 구성된다.

보다 구체적으로는, 도5에 도시된 바와 같이 환형 밀봉막(127)은 상측 베이스(120b)의 상측 베이스 몸체(125)에 고정된 위치의 양단부(127x)의 근방에는 상방으로 굴곡지게 형성된 상측 굴곡부(127e)가 형성된다. 이를 위하여, 환형 밀봉막(127)의 상측 굴곡부(127e)가 위치할 공간이 마련되기 위하여, 상측 베이스 몸체(125)의 양측에는 상방으로 절개부(125h)가 형성된다. 그리고, 환형 밀봉막(127)의 상측 굴곡부(127e)의 선단부(127b)는 상측 베이스 몸체(125)와 접합된다. 상측 굴곡부(127e)의 하측에는 S자 형상의 횡측 굴곡부(127c)가 형성된다.

이에 따라, 상측 베이스 몸체(125)와 하측 베이스(120a) 사이의 거리가 멀어지면, 절개부(125h)로부터 하방으로 연장되는 충분히 긴 공간(Ho) 내에서 환형 밀봉막(127)이 변형하게 된다. 이와 같이, 환형 밀봉막(127)의 S자형 횡측 굴곡부(127c)가 충분히 긴 공간(Ho) 내에 배열됨에 따라, 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a) 사이의 이격 거리의 변화는 횡측 굴곡부(127c)의 변형으로 환형 밀봉막(127)에 큰 인장력이 가해지지 않는 범위 내에서 수용된다.

그리고, 환형 밀봉막(127)의 상측 굴곡부(127e)의 선단부(127b)는 상측 베이스 몸체(125)의 하면에 접합 고정됨에 따라, 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a) 사이의 간극이 멀어지더라도 환형 밀봉막(127)의 형상이 틀어지지 않고 미리 예정된 형태로만 변형된다. 이에 따라, 리테이너 링(130)의 마모 상태에 따라 환형 밀봉막(127)이 변형되더라도 그 일부가 인접한 부품에 끼어 손상되는 것을 방지할 수 있다.

환형 밀봉막(127)은 그 끝단(127x)이 상측 베이스 몸체(125)와 제1고정부재(126)의 요홈 사이에 수용되고, 상측 베이스 몸체(125)와 제1고정부재(126)가 볼트 등의 견고한 체결 방식으로 고정됨으로써, 환형 밀봉막(127)은 상측 베이스(120b)에 클램핑된 상태로 상측이 밀봉 고정된다.

그리고, 환형 밀봉막(127)의 하측 부분은 하측 베이스(120a)와 제2고정부재(124)의 사이에 개재되고, 하측 베이스(120a)와 제2고정부재(124)가 볼트 등의 견고한 체결 방식으로 고정됨으로써, 환형 밀봉막(127)은 하측 베이스(120a)에 고정된다. 이 때, 도4에 도시된 바와 같이, 제2고정부재(124)의 저면에는 하방으로 돌출된 한 쌍의 환형 돌기(124a)가 형성되어, 환형 돌기(124a)가 환형 밀봉막(127)을 가압하면서 환형 밀봉막(127)이 위치 고정된다. 이에 따라, 환형 밀봉막(127)의 하측 부분도 하측 베이스(120a)와 결합되면서 밀봉된 상태가 된다.

한편, 도면에는 환형 밀봉막(127)이 하측 베이스(120a)와 결합되는 부분이 면 형상으로 형성되고 상측 베이스(120b)와 결합되는 부분은 단부(127x)로 형성된 구성을 예로 들었지만, 환형 밀봉막(127)이 상측 베이스(120b)와 결합되는 부분이 면 형상으로 형성되고, 하측 베이스(120a)와 결합되는 부분이 단부(127x)로 형성될 수도 있으며, 상,하측 베이스(120a, 120b)와 결합되는 부분이 모두 단부(127x)로 형성될 수도 있다.

이와 같이, 환형 밀봉막(127)이 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)와 연결되는 부분이 완전히 밀봉 상태로 유지되고, 상,하측 베이스(120b, 120a) 사이의 거리가 이격되더라도 환형 밀봉막(127)에 인장력이 거의 작용하지 않도록 구성됨에 따라, 리테이너 링(120)이 CMP장비의 플래튼 패드와 가압 접촉하여 마모되더라도, 환형 밀봉막(127)의 손상에 영향을 주는 인장력이 작용하지 않아 밀봉성이 그대로 유지되면서, 도6에 도시된 화살표 방향으로 하측 베이스(120a)가 하측으로 이동 구동되어 리테이너 링(130)의 마모량에 부합하게 리테이너 링(130)을 하방으로 안정되게 도면부호 33으로 표시된 방향으로 이동시킬 수 있게 된다. 이 때, 가이드 핀(123)은 관통공(67)에 대하여 상방(66)으로 이동한다.

한편, 상측 베이스와 하측 베이스가 오작동에 의해 충돌하더라도, 밀봉링(127)에 충격이 전달하는 것을 최소화하기 위하여, 상측 베이스 몸체(125)에는 하방으로 돌출된 돌출부(125y)가 구비된다. 이를 통해, 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)의 간격이 미리 설정한 간극보다 더 가까워지면 돌출부(125y)가 미리 하측 베이스(120b)의 상면(124s)와 접촉(125p)한다. 즉,돌출부(125y)는 스토퍼 역할을 한다. 이를 통해, 오작동이 발생되더라도 밀봉링(127)에 직접적인 충격이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.

그리고, 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)의 외측에는 상기 환형 밀봉막(127)의 외측 둘레를 감싸는 보호 커버(129)가 하측 베이스(120a)로부터 돌출된다. 이에 의해, 환형 밀봉막(127)이 외부에 드러나지 않아 외부로부터 이물질이 유입되는 것 등을 막을 수 있다.

즉, 리테이너 링(130)을 장시간 동안 사용하면 소모성 재질로 형성된 하측 리테이너링(131)이 마모되므로, 마모량에 따라 리테이너 링(130)을 하방으로 이동시키는 것이 필요하다. 이를 위해, 연결핀(160)은 횡방향으로 구동체(110)에 구속되지만 상하 방향(33)으로는 구속되지 않는다. 그리고, 리테이너 링(130)의 상측에 형성된 환형 밀봉 챔버(120c)에는 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)가 서로 이격될 수 있도록 설치되고, 환형 챔버(120c)에는 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)의 접촉부 주변을 감싸는 환형 밀봉링(127)이 설치된다. 그리고, 환형 챔버(120c)와 연통되는 공기 통로(128)가 원주 방향으로 소정의 간격을 두고 다수개 마련되어, 공기 통로(128)를 통해 고압의 공기가 유입되거나 유출되는 것에 의해 상,하측 베이스(120b, 120a)가 서로 밀착되거나 이격되도록 조절할 수 있게 된다. 이에 의해, 리테이너 링(130)이 상하 방향으로 이동되어 그 마모량에 따라 CMP장비의 플래튼 패드 상에 예정된 힘으로 가압할 수 있다.

이 때, 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)에는 이들을 관통하는 가이드 핀(123)이 설치된다. 가이드 핀(123)은 단면이 몸체보다 더 크게 형성된 금속 소재의 내부부재(123a)과, 내부부재(123a)의 몸체에 형성된 수나사산(미도시)과 맞물리는 암나사산(미도시)이 형성되어 내부핀(123a)에 체결 결합되는 외부부재(123b)로 구성된다. 그리고, 가이드 핀(123)의 내부부재(123a) 머리는 제1고정부재(126)에 걸터지게 고정되어, 상측 베이스(120b)와 함께 상하로 이동한다. 제1고정부재(126)로부터 제2고정부재(124)와 하측 베이스(120a)의 일부까지 관통하는 관통공(67)이 형성되어, 가이드 핀(123)을 수용한다. 가이드 핀(123)의 외주면과 관통공(67)의 내주면은 매끄러운 면으로 형성되고 서로 유격이 거의 없는 맞닿은 면으로 배열되어, 상,하측 베이스(120b, 120a)의 상대 이동시에 가이드 핀(123)은 관통공(67)에 대해 슬라이딩 운동을 함으로써, 상,하측 베이스(120b, 120a)가 일정한 상하 방향의 경로로만 이동하도록 안내한다.

한편, 외부부재(123b)는 금속 소재 등의 여러가지 재질로 이루어질 수 있다. 외부 부재(123b)는 고무 재질로 형성되어 관통공(67)에 고정된 형태로 설치될 수도 있다. 고무 재질로 외부부재(123b)가 형성된 경우의 일 실시형태에 따르면, 내부부재(123a)의 외주면에 수나사산이 형성되지 않으며, 내부부재(123a)의 몸체가 고무 재질의 외부부재(123b)의 중앙홈에 대하여 삽입 깊이가 변동되면서 상하로 이동하면서 상,하측 베이스(120b, 120a)를 안내할 수도 있다. 이 때에는 내부부재(123a)의 몸체의 길이가 적어도 하측 베이스에 일부 이상 삽입되어야 한다.

상기 가이드 핀(123)은 원주 방향을 따라 일정 간격으로 수 개 설치되어, 조립 시에 상,하측 베이스(120b, 120a)를 정렬시키는 것을 보조하며, 리테이너 링(130)에 회전력을 전달하는 매개체 역할도 한다.

상기 리테이너 링(130)은 연결 베이스(120)의 저면에 고정된다. 리테이너 링(130)은 반영구적으로 사용하도록 스텐레스 등의 금속 재질로 형성된 상측 리테이너링(132)과, 그 하측에 내구성이 좋으면서 화학적으로 불활성을 가지며 반복 하중에도 균열이 생기지 않는 폴리페닐렌 설피드(PPS) 등의 소모성 재질로 형성된 하측 리테이너링(131)으로 구성된다. 소모성 재질로 형성된 하측 리테이너링(131)이 마모되더라도, 상기와 같이 충분한 마모량을 커버할 수 있을 변위만큼 하측 베이스(120a)가 리테이너 링(130)과 함께 하방(33)으로 이동하여 리테이너 링(130)을 안정되게 플래튼 패드에 가압시키므로, 종래에 비하여 소모성 재질로 형성되는 하측 리테이너 링(131)의 두께를 더 크게 할 수 있는 잇점이 얻어진다.

하측링(131)에는 CMP공정 중에 슬러리가 웨이퍼(10)에 유입되도록 다수의 홈이 반경 방향으로 관통 형성된다.

한편, 도2에 도시된 바와 같이 하측 베이스(120a)에는 내주면에 내측으로 돌출된 돌출부(122)가 형성된다. 이 돌출부(122)는 멤브레인 홀더(140)의 외주면에 형성된 수용부(142)에 삽입되어, 연결 베이스(120)가 회전하면, 돌출부(122)와 수용부(142)의 물리적인 맞물림에 의하여 멤브레인 홀더(140)도 함께 회전한다. 따라서, 장시간동안 캐리어 헤드(100)를 사용하더라도, 연결 베이스(120)와 멤브레인 홀더(140)사이에는 손상되지 않으므로, 유지 보수 측면과 웨이퍼 평탄 연마 공정의 연속성 측면에서 바람직하다.

멤브레인 홀더(140)는 연결 베이스(120)와 맞물려 회전 구동되며, 하측에 다수의 구획벽(151)이 형성되어, 구획벽(151)에 의해 그 사이에 생성되는 분할 챔버(C1, C2, C3, C4)에 압력을 인가하는 공기 통로가 마련된다. 구획벽(151)은 멤브레인 홀더(140)에 고정되어 인접한 분할 챔버(C1, C2, C3, C4)간의 밀봉성이 보장된다.

멤브레인(150)은 하나의 막으로 이루어질수도 있지만, 도6에 도시된 바와 같이 캐리어 헤드(100) 내에서 공기압을 직접 전달받는 상부 멤브레인(150b)과, 상부 멤브레인과 밀착되어 간접적으로 압력을 인가받으며 웨이퍼 흡착면을 제공하는 하부 멤브레인(150a)으로 이루어질 수 있다. 하부 멤브레인(150a)과 상부 멤브레인(150b)은 각각 캐리어 헤드(100) 내의 다른 부품, 예를 들어 멤브레인 홀더(140)에 고정될 수 있다.

상기 연결핀(160)은 스텐레스 등과 같이 경도가 우수하면서 내구성이 우수한 재질로 제작되는 것이 좋다. 그러나, 연결핀(160)에 의해 구동체(110)로부터 연결 베이스(120)로 회전력을 장시간 동안 전달하면, 연결핀(160)의 외주면이 마모되어 헐거워지는 문제가 발생된다. 이 때마다 연결핀(160)을 교체하는 것은 비용이 많이 소요되므로, 연결핀(160)의 외주면에 금속 소재의 핀 몸체보다 경도가 낮으면서 반복 하중에 잘 견디는 플라스틱 소재로 개재 파이프(162)를 씌운다. 이에 의해, 장시간 사용하면, 금속 재질의 핀 몸체(161)가 마모되지 않고, 개재 파이프(162)가 마모되므로, 금속 재질의 핀 몸체(161)는 반 영구적으로 사용할 수 있으며, 저렴한 개재 파이프(162)만 교체하면 된다.

상기 헤드 커버(170)는 구동체(110)의 상측을 덮는 제1커버(171)와 구동체(110)의 외측을 덮는 제2커버(172)로 구성된다. 이와 같이, 하나의 커버로 전체를 덮지 않고 각 부품별로 덮는 제1커버(171) 및 제2커버(172)로 이루어짐에 따라, 캐리어 헤드(100)의 보수가 필요할 때에 해당 커버만을 간단히 개방하여 보수할 수 있으므로, 유지 보수가 보다 용이해지는 잇점을 갖는다. 리테이너 링(130)을 교체할 때에는 필요에 따라 제2커버(172)를 분리한 상태에서 행할 수도 있다. 그러나, 리테이너 링(130)을 위치고정하는 고정 수단(99)이 위치한 삼각형 절취부(98)보다 제2커버(72)의 끝단부의 높이를 보다 높게 구성할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 캐리어 헤드(100)는 리테이너 링의 반복 사용에 따라 하측 리테이너링(131)이 점진적으로 마모되더라도, 리테이너 링의 마모량에 비례하여 하측 베이스(120a)가 하방으로 가압되면서 이동하므로, 리테이너링의 마모에도 불구하고 지속적으로 CMP장비의 플래튼 패드와 밀착한 상태를 유지하면서 웨이퍼를 제위치에 위치시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 상기와 같이 리테이너 링(130)의 마모에 따라 하방으로 이동시켜가며 안정되게 가압하는 작용을 수행하면서 상측 베이스(120b)와 하측 베이스(120a)의 양측을 충분히 긴 공간(Ho)에 걸쳐 변형이 가능하도록 가요성 재질의 환형 밀봉링(127)을 배열시킴으로써, 캐리어 헤드(100)에 지속적인 반복하중이 작용하더라도 환형 밀봉링(127)이 파손되지 않고 공압에 의해 제어되는 내측 공간을 외부로부터 완전히 차단하는 밀봉 성능을 확보할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

100:캐리어 헤드 110: 구동체
120: 연결 베이스 120a: 상측 베이스
120b: 하측 베이스 123: 가이드 핀
125: 상측 베이스 몸체 125y: 돌출부
127: 환형 밀봉링 127e: 상측 절곡부
127c: 횡측 절곡부 130: 리테이너 링
140: 멤브레인 홀더 150: 멤브레인
160: 연결핀 170: 헤드 커버

Claims (15)

1. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드에 있어서,
   외부에 위치한 구동축과 연동되어 회전 구동되고, 상기 캐리어 헤드의 상측에 위치한 구동체와;
   상기 구동체의 회전력이 전달되어 회전 구동되는 환상 형태(annular shape)의 하측 베이스와, 상기 하측 베이스의 상측에 위치하고 상방으로의 변위가 구속되게 설치된 환상 형태의 상측 베이스와, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 사이 간격을 멀어지게 하는 힘이 작용하는 조절 수단과, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 양측에 각각 고정되어 이들을 연결하면서 사잇 공간에 밀봉 챔버를 형성하는 가요성 재질의 환형 밀봉링을 구비한 연결 베이스와;
   상기 하측 베이스에 고정되는 리테이너 링을;
   포함하여 구성된 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 환형 밀봉막은 상기 상측 베이스에 고정된 위치의 양단부의 근방에는 상방으로 굴곡지게 형성된 상측 굴곡부가 형성되고, 상기 환형 밀봉막의 상기 상측 굴곡부를 수용하도록 상기 상측 베이스의 양측에는 상방으로의 공간을 마련하는 절개부를 구비된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 환형 밀봉막의 상측 끝단을 수용하는 요홈이 형성되어, 상기 환형 밀봉막의 상측 끝단을 수용한 상태로 상기 상측 베이스에 결합되는 제1고정부재를 더 포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 환형 밀봉막의 상기 상측 굴곡부의 선단부는 상기 상측 베이스의 하면에 고정된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 환형 밀봉막은 상기 상측 굴곡부의 하측에 'S'자 형태로 굴곡진 횡측 굴곡부가 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 환형 밀봉막의 일부를 상기 하측 베이스와 사이에 두고 상기 하측 베이스에 결합되는 제2고정부재를 더 포함하고, 상기 하측 베이스의 상면과 상기 제2고정부재의 저면 중 어느 하나 이상에는 환형 돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 밀봉 챔버는 환상 형태인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 간격이 미리 정해진 값보다 크게 유지되도록, 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 중 어느 하나 이상에 서로를 향하여 돌출된 돌출부가 구비된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
9. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 외측에는 상기 환형 밀봉막을 감싸는 보호 커버가 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 중 어느 하나 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
10. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 베이스는 상기 구동체와 수직 방향으로 배열된 핀으로 의해 회전력이 전달되어, 상기 구동체에 대하여 상하 이동 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
11. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절 수단은 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 중 어느 하나 이상에 형성된 공기 통로를 포함하여, 상기 공기 통로를 통해 압축 공기를 인가하거나 배출하는 것에 의해 상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스 사이의 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
12. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상측 베이스와 상기 하측 베이스의 상하 방향으로의 상대 이동을 안내하는 가이드 핀이 상기 상측 베이스의 일부 이상과 상기 하측 베이스의 일부 이상을 관통하는 관통공에 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
13. 제 12항에 있어서, 상기 가이드 핀은,
    수나사산이 형성된 몸체보다 단면이 더 큰 단면의 머리를 구비한 내부부재와, 상기 내부부재의 일부 이상을 감싸는 외부부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 내부부재는 외주면에는 수나사산이 형성된 금속 소재로 형성되고, 상기 외부 부재는 상기 내부부재의 일부 이상을 수용하는 암나사산이 형성된 수용홈이 형성되고 외주면이 매끈한 면으로 형성되어, 상기 외부 부재가 상기 관통공에 대하여 슬라이딩하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    
15. 제 13항에 있어서,
    상기 외부부재는 고무 재질로 형성되고 상기 내부 부재의 일부를 수용하는 수용홈이 형성되고, 상기 내부 부재는 상기 상측 베이스의 일부 이상과 상기 하측 베이스의 일부 이상을 관통하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
    

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