KR101327147B1 - 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 그 조립 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고, 중심에 관통공이 형성되어 상기 웨이퍼에 직접 정압이나 부압을 인가하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면의 중심부에 상기 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 둘레를 감싸는 중앙부 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 가압면의 가장자리에 가장자리 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 중앙부 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성된, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인과; 상기 가압면의 상측에 배열되어 상기 사잇 플랩이 위치 고정되어, 상기 멤브레인과 함께 회전하고, 중앙 관통구에 단턱이 형성된 베이스와; 상기 베이스의 상기 단턱의 상면에 거치되고, 상기 중앙부 플랩의 끝단이 위치하는 제1면이 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제1플랩고정블록과; 상기 제1플랩고정블록 상에 적층되되, 상기 중앙부 플랩의 끝단을 상기 제1면과의 사이에 수용할 수 있는 수용홈이 링 형태로 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제2플랩고정블록을; 포함하여 구성되어, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시키는 것에 의해 멤브레인의 가압면을 잡아당기지 않더라도 중앙부 플랩을 위치 고정할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드 및 그 조립 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 그 조립 방법{CARRIER HEAD IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD OF ASSEMBLING SAME}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 그 조립 방법에 관한 것으로, 상세하게는 CMP 공정 중에 중앙부에 관통공이 형성된 멤브레인을 매개로 웨이퍼를 가압하는 경우에, 멤브레인이 구겨지는 등의 문제를 야기하지 않고 관통공을 둘러싸고 있는 중앙부 플랩을 위치 고정할 수 있는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 그 조립 방법에 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 연마공정 전후에 웨이퍼의 연마 면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼를 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 웨이퍼를 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.

이를 위하여, 도1에 도시된 CMP장치(1)에 나타난 바와 같이, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의해 회전(10d)하는 연마 패드(11)상에 가압되면서, 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전(30d)하여 기계적 연마가 이루어지고, 이와 동시에, 슬러리가 연마 패드(11) 상에 공급되면서 화학적 연마가 행해진다.

이 때, 도2에 도시된 바와 같이 캐리어 헤드(20)는 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되는 본체(21)와,본체(21)와 함께 연동되어 회전하는 베이스(22)와, 베이스(22)에 끝단(24x)이 결합되어 그 사잇 공간에 압력 챔버(C1, C2)를 형성하는 탄성 소재의 멤브레인(24)과, 멤브레인(24)에 의해 가압되는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸면서 연마 패드(11)에 밀착하여 함께 회전하는 리테이너 링(23)으로 구성된다.

최근 CMP 공정은 웨이퍼(W)의 평탄도를 향상시키기 위하여 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력을 영역별로 나누어 제어하는 기술이 사용되고 있다. 즉, 멤브레인(24)에는 웨이퍼(W)를 가압하는 가압면으로부터 수직 방향으로 연장 형성된 플랩(24b, 24c)가 베이스(22)에 고정되어, 그 사잇 공간에 각각 서로 구분된 압력 챔버(C1, C2)가 형성된다. 그리고, 압력 챔버(C1, C2) 별로 웨이퍼(W)를 가압하는 가압력이 서로 독립적으로 제어된다.

이와 같이 구성된 캐리어 헤드(20)에 있어서, 멤브레인(24)의 중심에 관통공(25)이 형성되는 경우(도2는 종래의 구성이 아니라, 멤브레인(24)의 중심에 관통공이 형성된 구성을 예로 든 것이다)에는, 중앙부 관통공(25)에 압력 제어수단(25p)을 이용하여 정압 또는 부압을 가하여 웨이퍼(W)에 직접 흡입력이나 가압력을 인가한다. 여기서, 중앙부의 관통공(25)을 감싸는 중앙부 플랩(24c)의 끝단을 베이스(22)에 위치 고정시키는 것이 대단히 어렵다. 즉, 베이스(22)와 리테이너링(23)의 사이에 가장자리 플랩(24a)과 사잇 플랩(24b)을 위치 고정시킨 후, 중앙부에 위치한 중앙부 플랩(24c)을 베이스(22)에 위치 고정하려는 과정에서는 중앙부 플랩(24c)을 잡아당겨야 하는 공정이 수반될 수 밖에 없다. 이에 따라, 이미 위치 고정된 가장자리 플랩(24a) 및 사잇 플랩(24b)의 끝단(24x)이 틀어져, 멤브레인(24)의 가압면에 물결무늬의 주름이 생기게 된다.

따라서, 멤브레인(24)의 중심에 관통공(25)이 형성되고, 이 관통공(25)을 감싸는 중앙부 플랩(24c)이 형성된 경우에, 중앙부 플랩(24c)의 끝단을 위치 고정하는 조립 공정이 대단히 까다로운 문제점이 야기되었다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은 CMP 공정 중에 중앙부에 관통공이 형성된 멤브레인을 매개로 웨이퍼를 가압하는 경우에, 멤브레인에 주름이 생기는 등의 문제를 야기하지 않고 관통공을 둘러싸고 있는 중앙부 플랩을 위치 고정할 수 있는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드 및 그 조립 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 조립함에 있어서 멤브레인의 조립을 보다 용이하게 함으로써, 캐리어 헤드의 생산성 및 유지 보수 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고, 중심에 관통공이 형성되어 상기 웨이퍼에 직접 정압이나 부압을 인가하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서, 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면의 중심부에 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 둘레를 감싸는 중앙부 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 가압면의 가장자리에 가장자리 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 중앙부 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성된, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인과; 상기 가압면의 상측에 배열되어 상기 사잇 플랩이 위치 고정되어, 상기 멤브레인과 함께 회전하고, 중앙 관통구에 단턱이 형성된 베이스와; 상기 베이스의 상기 단턱의 상면에 거치되고, 상기 중앙부 플랩의 끝단이 위치하는 제1면이 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제1플랩고정블록과; 상기 제1플랩고정블록 상에 적층되되, 상기 중앙부 플랩의 끝단을 상기 제1면과의 사이에 수용할 수 있는 수용홈이 링 형태로 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제2플랩고정블록을; 포함하여 구성되어, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시키는 것에 의해 상기 중앙부 플랩을 위치 고정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.

즉, 본 발명에 따르면, 탄성 소재의 멤브레인의 플랩 끝단을 베이스에 위치 고정함에 있어서, 멤브레인의 가장자리 플랩과 사잇 플랩을 베이스에 위치 고정한 상태에서, 베이스의 중앙부에 단턱을 형성하고, 링 형태의 제1플랩고정블록을 그 위에 거치시켜 중앙부 플랩의 끝단을 자리잡게 한 상태에서, 링 형태의 제2플랩고정블록을 제1플랩고정블록 상에 적층시키는 것에 의해, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록의 사이 공간에 멤브레인 중심의 관통공을 감싸는 중앙부 플랩을 간단히 위치 고정할 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 중앙부 플랩을 위치 고정함에 있어서, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시켜 이들을 위치 고정하는 것에 의해 이루어지므로, 멤브레인을 잡아당기는 등의 조립 공정이 전혀 필요하지 않게 된다. 따라서, 멤브레인을 위치 고정하는 과정에서 멤브레인의 가압면이 주름지는 등에 의해 공정이 지연되는 것이 근본적으로 방지되는 잇점을 얻을 수 있다.

상기 제2플랩고정블록은 상기 관통공의 길이 방향을 따라 하방으로 연장되되, 상기 중앙부 플랩의 일부 이상을 상기 제1플랩고정블록과의 사이에 위치시키는 블록 연장부를 더 포함하여 구성되어, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시켜 중앙부 플랩을 위치 고정할 수 있을 뿐만 아니라, 중앙부 플랩의 연장부를 내측과 외측에서 둘러싸게 되어 중앙부 플랩이 조립 과정에서 손상되는 것을 방지할 수 있고 CMP 공정 중에도 관통공에 인가되는 정압 또는 부압에 의해 떨림 현상이 발생되는 것을 최소화한다.

이 때, 상기 중앙부 플랩은 'U'자 형태의 절곡부가 형성되고, 상기 절곡부는 상기 블록 연장부와 상기 제1플랩고정블록의 사이에 위치하여, 중앙부 플랩에 의해 형성되는 압력 챔버에 정압이 작용하여 절곡부가 펼쳐지는 경우에도, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록의 블록연장부의 사이에서 안전하게 보호되어, 예정된 윤곽으로 절곡부가 펼쳐지는 것을 보조한다.

그리고, 상기 제2플랩고정블록은 상측 중앙부에 돌출된 링형(ring-shaped) 돌출부가 형성되어, 상기 링형 돌출부를 감싸는 링에 의해 위치 고정된다. 따라서, 제2플랩고정블록은 볼트 등의 체결 수단이 없더라도 제 위치에서 자리잡은 상태가 유지되므로, 수명이 다한 멤브레인을 교체하거나 멤브레인을 유지 보수하는 공정이 보다 간편해지는 잇점을 얻을 수 있다.

무엇보다도, 상기 중앙부 플랩의 끝단까지의 직경(Dm)은 상기 제1플랩고정블록이 상기 베이스 상에 거치되어 접하는 면의 직경(De)보다 더 작게 정해진다. 이를 통해, 제1플립고정블록을 중앙부 플랩의 바깥쪽에 위치시키는 것이 용이해질 뿐만 아니라, 중앙부 플랩이 형성하는 압력 챔버가 팽창하더라도 그 끝단을 고정하는 제1플립고정블록이 들썩이지 않고 제 위치를 유지할 수 있다. 이를 통해, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 단순히 거치시켜 적층시키는 것에 의해 중앙부 플랩의 끝단을 견고하게 위치 고정할 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법으로서, 상기 웨이퍼를 가압하는 가압면의 중심부에 상기 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 둘레를 감싸는 중앙부 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 가압면의 가장자리에 가장자리 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 중앙부 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성되고 탄성 소재로 제작되는 멤브레인을 작업면 상에 거치시키는 제1단계와; 상기 사잇 플랩과 상기 가장자리 플랩 중 어느 하나 이상의 끝단이 결합 부재 상에 위치하도록 상기 결합 부재를 상기 멤브레인 상에 위치시키는 제2단계와; 상기 결합 부재 상에 베이스를 위치시키고 상기 결합 부재와 상기 베이스를 결합하여, 상기 사잇 플랩과 상기 가장자리 플랩 중 어느 하나 이상의 끝단을 상기 결합 부재와 상기 베이스의 사이에 위치 고정시키는 제3단계와; 상기 베이스의 중앙부의 단턱 상에 제1플랩고정블록을 거치시키는 제4단계와; 상기 중앙부 플랩의 끝단을 상기 제1플랩고정블록 상에 위치시킨 상태로 제2플랩고정블록을 상기 제1플랩고정블록 상에 위치시켜, 상기 중앙부 플랩의 끝단을 위치 고정시키는 제5단계를; 포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법을 제공한다.

이와 같이 멤브레인의 관통공을 감싸는 중앙부 플랩을 잡아당기지 않더라도, 중앙부 플랩을 자연스럽게 위치 고정할 수 있으므로, 멤브레인을 베이스에 위치 고정시키는 조립 공정이 매우 단순해져 짧은 시간에 행해질 수 있다.

상기 제2플랩고정블록은 상기 관통공의 길이 방향을 따라 하방으로 연장되되, 상기 중앙부 플랩의 일부 이상을 상기 제1플랩고정블록과의 사이에 위치시키는 블록 연장부를 더 포함하여, 상기 제5단계에 의해 상기 멤브레인의 상기 관통공에 인가되는 정압 또는 부압의 통로의 일부를 형성하게 된다.

그리고, 본 발명은, 상기 제2플랩고정블록은 상측 중앙부에 돌출된 링형(ring-shaped) 돌출부가 형성되고, 상기 링형 돌출부를 감싸는 링을 상기 제2플랩고정블록 상에 위치시키는 제6단계를 추가적으로 포함하여, 제1플랩고정블록 및 제2플랩고정블록을 보다 간편하게 위치 고정시킬 수 있으며, 멤브레인의 유지, 보수 및 교체를 위해 분해하고 다시 조립하는 공정을 보다 신속하게 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 탄성 소재의 멤브레인의 플랩 끝단을 베이스에 위치 고정함에 있어서, 멤브레인의 가장자리 플랩과 사잇 플랩을 베이스에 위치 고정한 상태에서, 베이스의 중앙부에 단턱을 형성하고, 링 형태의 제1플랩고정블록을 그 위에 거치시켜 중앙부 플랩의 끝단을 자리잡게 한 상태에서, 링 형태의 제2플랩고정블록을 제1플랩고정블록 상에 적층시키는 것에 의해, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록의 사이 공간에 멤브레인 중심의 관통공을 감싸는 중앙부 플랩을 간단히 위치 고정하므로, 멤브레인을 위치 고정하는 과정에서 멤브레인의 가압면이 주름지는 등에 의해 공정이 지연되는 것이 근본적으로 방지되어, 캐리어 헤드의 조립 및 분해 공정이 보다 단순해지고 신속하게 이루어지는 유리한 효과가 얻어진다.

그리고, 본 발명은 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시키는 것에 의해 관통공을 감싸는 중앙부 플랩의 끝단을 위치 고정하므로, 멤브레인을 잡아당기는 등의 조립 공정이 전혀 필요하지 않아, 멤브레인의 가압면의 평탄도를 보다 확실하게 확보할 수 있는 잇점이 있다.

이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 및 유지 보수를 위해 멤브레인을 장착하거나 분리하는 공정이 보다 신속하고 정확하게 이루어지므로, CMP 공정의 효율을 궁극적으로 향상시키는 유리한 효과가 있다.

도1는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도
도2는 중앙부에 관통공이 형성된 멤브레인이 장착된 캐리어 헤드의 구성을 도시한 단면도
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 구성을 도시한 단면도
도4a는 도3의 'A'부분의 확대도
도4b는 도3의 'B'부분의 확대도
도5a 내지 도5e는 멤브레인을 베이스에 위치 고정시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드의 조립 공정에 따른 순차적인 구성을 도시한 도면
도6은 도5d의 'C' 부분의 확대도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드(100)는, 캐리어 구동 샤프트(도1의 30)에 결합되어 캐리어 구동 샤프트(30)에 의해 회전 구동되는 본체(110)와, 본체(110)의 저면에 형성된 오목한 구형홈(110s)에 맞닿는 구형부(120s)이 구비되어 본체(110)의 구형홈(110s)의 구심(球心)을 중심으로 틸팅되는 연결 부재(120)와, 연결 부재(120)의 구형부(120s)의 반경 바깥 방향으로 돌출된 원형 연장부(121)의 상,저면 및 측면을 감싸는 제1탄성링(130)과, 멤브레인(M)에 의해 연마 패드(11)를 향해 가압되는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)을 위치시키는 리테이너링 지지부(140)와, 리테이너링 지지부(140)의 중앙부의 상,저면 및 측면을 감싸는 제2탄성링(150)과, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면에 맞닿아 지지한 상태로 본체(110)에 볼트(161)에 의해 고정되어 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 위치를 고정시키는 고정 부재(160)와, 연결 부재(120)의 둘레에 밀착되어 연결 부재(120)와 함께 틸팅되는 연결 부재 홀더(170)와, 연결 부재 홀더(170)와 결합되어 함께 일체로 틸팅되고 멤브레인(M)을 위치 고정시키는 베이스(180)와, 멤브레인(M)의 중앙부 플랩(M3)을 고정시키는 플랩 고정 블록(190)으로 구성된다.

상기 본체(110)는 캐리어 구동 샤프트(30)에 결합되어, 캐리어 구동 샤프트(30)의 회전 토크를 전달받아 캐리어 헤드(100)를 회전시킨다. 도면에 도시되지 않은 연결 수단에 의해, 리테이너링 지지부(140), 베이스(180) 등이 본체(110)와 함께 회전된다. 본체(110)의 상측은 커버(90)에 의해 덮힌 상태로 구성될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시 형태는 별도의 커버(90)를 구비하지 않을 수도 있다.

상기 연결 부재(120)는 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)에 결합된 본체(110)에 대하여 구형홈(110s)의 구심(120c)에 대하여 틸팅되는 자유도를 갖는다. 따라서, 캐리어 구동 샤프트(30)가 본체(120)를 하방으로 이동시켜 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 표면에 닿게 되면, 캐리어 헤드(100)의 자중이나 캐리어 구동 샤프트(30)의 이동에 따른 하중에 의하여 멤브레인(M)의 표면이 연마 패드(11)의 표면에 밀착될 수 있도록, 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 멤브레인(M)을 틸팅시키는 매개체 역할을 한다.

연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)과 동일하거나 약간 작은 반경으로 형성되고, 이들의 구심(120c)은 본체(110)의 회전 중심축(68) 상에서 서로 동일한 위치에 배열된다. 따라서, 구형부(120s)와 구형홈(110s)의 표면이 슬립(slip)되면서 연결 부재(120)는 본체(110)에 대하여 틸팅된다.

상기 제1탄성링(130)은 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 연결 부재(120)의 반경 바깥으로 돌출된 두꺼운 디스크 형상의 원형 연장부(121)의 상면, 저면, 측면을 감싸도록 배열된다. 이와 동시에, 제1탄성링(130)이 원형 연장부(121)의 상면과 측면을 감싸는 부분은 본체(110)에 밀착된 상태로 설치된다. 따라서, 제1탄성링(130)은 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 연결 부재(120)의 원형 연장부(121)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치ehldj, 연결 부재(120)의 구형부(120s)가 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 미끄럼 회전하는 변위가 제1탄성링(130)의 탄성에 의해 허용된다.

상기 리테이너링 지지부(140)는 연마 패드(11)와 접촉한 상태를 유지하면서 CMP 공정 중인 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 리테이너링(145)이 장착된다. 리테이너 링(145)은 그 상측의 조정 챔버(145c)의 압력을 조절하여, 리테이너링(145)이 마모되더라도 상하 방향(145d)으로 이동하여, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)에 항상 접촉될 수 있도록 한다. 다만, 연마 패드(11)의 마모가 불균일하게 일어나 편마모에 의해 연마 패드(11)에 경사면이 형성되는 경우에, 리테이너링(145)이 연마패드(11)에 밀착되기 어려워진다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(100)는 리테이너 링(145)을 고정하는 리테이너링 지지부(140)가 본체(110)에 대하여 틸팅되도록 구성된다.

상기 제2탄성링(150)은 제1탄성링(130)과 마찬가지로 고무나 우레탄 등의 탄성을 갖는 가요성 재질로 형성되며, 'ㄷ'자 단면의 링 형태로 형성되어 'ㄷ'자 단면의 측면과 상면이 리테이너링 지지부(140)의 내측부(151)와 본체(110)의 사이에 낀 상태로 설치된다. 따라서, 리테이너링(145)이 연마 패드(11)의 표면에 맞닿아 밀착하고자 하면, 리테이너링 지지부(140)는 본체(110)와의 사이에 개재된 제2탄성링(150)의 탄성에 의하여 틸팅되는 것이 허용된다.

상기 고정 부재(160)는 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)의 저면을 지지하도록 볼트(161)로 본체(110)에 고정된다. 이에 따라, 제1탄성링(130)과 제2탄성링(150)은 제 위치에 간단히 위치 고정된다.

상기 연결 부재 홀더(170)는 연결 부재(120)에 삽입되어, 연결 부재(120)의 틸팅에 따라 함께 틸팅된다.

상기 베이스(180)는 멤브레인(M)의 플랩(M2, M3, M4)의 끝단을 결합 부재(88, 89)를 이용하여 고정하고, 그 사이 공간에 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)를 형성한다. 따라서, 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)의 공압을 제어하여 멤브레인(M)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)가 연마 패드(11) 상에 가압되도록 한다. 여기서, 멤브레인(M)의 중심부에 형성된 관통공(55)은 연결 부재의 중심을 가로지르는 중앙 통로(1205)와 연통되고, 이 중앙 통로(1205)는 외부의 펌프(55p)에 공압 튜브(55L)를 통해 연결된다. 따라서, 멤브레인(M)의 중심부에 형성된 관통공(55)은 외부 펌프(55p)로부터 공기의 압력이 제어되어, 관통공(55)에 밀착된 웨이퍼(W)에 직접 부압 또는 정압을 가할 수 있다. 연결 부재(120)의 구형부(120s)는 본체(110)의 구형홈(110s)에 대하여 슬립(slip) 운동을 하므로, 외부의 펌프(55p)와 슬립되어 연결 부재(120)가 본체(110)에 틸팅된 상태에서도 연통된 상태를 유지하기 위하여, 연결 부재(120)의 중앙 통로(1205)의 상단 직경은 틸팅각을 고려하여 그 크기가 정해진다.

한편, 도5a에 도시된 바와 같이 상기 멤브레인(M)은 고무, 우레탄 등 탄성이 있는 가요성 재질로 형성되며, 원형 수평 평탄면으로 형성되어 웨이퍼(W)를 가압하고 중앙부에 관통공(55)이 형성된 가압면(M1)과, 가압면(M1)의 바깥 가장자리로부터 수직으로 연장되어 상기 캐리어 헤드(1)의 베이스(180)의 가장자리에 고정되는 가장자리 플랩(M2)과, 관통공(55)의 경계(55e)로부터 반경 바깥으로 이격된 위치로부터 연장되어 상기 베이스(180)의 중앙부에 자리잡은 플랩 고정블록(191. 192; 190)에 끝단이 위치 고정되는 중앙부 플랩(M3)이 구비된다.

여기서, 가장자리 플랩(M2)은 가압면(M1)의 가장 자리로부터 수직으로 연장된 연장부(M21)와, 연장부(M21)로부터 수평으로 연장된 결합부(M22, M23)로 형성된다. 그리고, 가장자리 플랩(M2)의 결합부(M22, M23)는 각각 베이스(180)의 가장자리와 결합 부재(89)의 사이 및 결합 부재(89)의 사이에 위치 고정된다.

그리고, 중앙부 플랩(M3)은 가압면(M1)의 중앙 관통공(55)의 경계(55e)로부터 바깥쪽으로 이격된 위치로부터 수직 방향으로 연장된 연장부(M31)와, 연장부(M31)의 끝단에서 수평으로 연장된 결합부(M32)로 이루어진다. 그리고 연장부(M31)에는 'U'자 형태의 절곡부(M33)가 형성되어, 중심에 가장 근접한 제1압력 챔버(C1)에 정압이 작용할 때에 절곡부(M33)가 펼쳐지면서 제1압력 챔버(C1)의 팽창을 수용한다. 한편, 도면에는 가압면(M1)의 중심부에 관통공(55)이 1개 형성된 경우를 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 가압면(M1)의 중심부 이외에 관통공이 형성되는 구성을 포함한다. 이 경우 관통공은 압력 챔버를 가로지르거나 압력 챔버의 경계에 위치할 수 있다.

가장자리 플랩(M2)과 중앙부 플랩(M3)의 사이에는 다수의 사잇 플랩(M41, M42, M43, M44; M4)이 간격을 두고 형성된다. 이들 플랩(M2, M3, M4)은 가압면(M1)의 상면으로부터 수직 방향으로 연장된 링 형상이어서, 플랩(M2, M3, M4)의 사잇 공간에는 환상(annular form) 형태의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)가 각각 형성된다. 이들 압력 챔버(C1, C2, C3, C4)는 CMP 공정 중에 동일한 압력으로 제어될 수도 있지만, 서로 다른 압력으로 제어될 수도 있다.

상기 플랩고정블록(190)은 베이스(180)의 중앙부 단턱(182) 상에 거치되는 링 형태의 제1플랩고정블록(191)과, 제1플랩고정블록(191)의 상면(191x)에 중앙부 플랩(M3)의 결합부(M32)를 위치시킨 상태에서 제1플랩고정블록(191)에 적층 설치되는 링 형태의 제2플랩고정블록(192)으로 이루어진다.

제1플랩고정블록(191)은 멤브레인(M)의 관통공(55)과 연통하는 베이스(180)의 중앙부 단턱(182) 상에 거치된다. 이 때, 베이스(180)의 중앙부 단턱의 내주면(1801)의 직경(Db)은 제1플랩고정블록(191)의 저면으로부터 하방 연장된 연장부의 외주면(1911)의 직경(Dm)과 동일하거나 허용 공차 범위 내에서 약간 크게 형성된다. 이와 동시에, 제1플랩고정블록(191)의 상측 외주면(1912)은 베이스(180)의 단턱 수직면(1802)보다 약간 작게 형성되어, 제1플랩고정블록(191)이 외력에 의해 베이스(180)에 대해 상대적인 요동이 발생되는 것이 억제된다. 이에 따라, 제1플랩고정블록(191)은 베이스(180)의 단턱(182)에 거치하는 것만으로도 정확한 위치에 배치된다.

이 때, 제1플랩고정블록(191)이 베이스(180)의 상면에 거치된 상태에서, 제1플랩고정블록(191)의 상면(191x)은 멤브레인(M)의 중앙부 플랩(M3)에 외력이 가해지지 않은 상태에서 결합부(M32)의 높이로 정해진다. 이에 의해, 제1플랩고정블록(191)이 베이스(180) 상에 거치되면, 멤브레인(M)의 중앙부 플랩(M3)의 결합부(M32)는 자연스럽게 제1플랩고정블록(191)의 상면(191x)에 얹혀지면서, 그 끝단이 제1플랩고정블록(191)의 단턱(191y)에 인접하게 된다.

그리고, 제1플랩고정블록(191)의 상면(191x)에 중앙부 플랩(M3)의 결합부(M32)가 위치한 상태에서, 하부에 결합부(M32)의 끝단을 수용하는 수용홈(192c)이 형성된 제2플랩고정블록(192)을 적층시킨다. 제2플랩고정블록(192)은 외주면(1922)이 베이스(180)의 단턱 수직면(1802)보다 공차 범위 내에서 약간 작게 형성되어, 도4b에 도시된 바와 같이 제2플랩고정블록(192)이 제1플랩고정블록(191) 상에 적층되면서 정해진 위치에 있게 된다. 이와 동시에, 중앙부 플랩(M3)은, 결합부(M32) 끝단이 제2플랩고정블록(192)의 수용홈(192x)에 위치하면서, 제1플랩고정블록(191)과 제2플랩고정블록(192)의 사이에 위치 고정된다.

한편, 중앙부 플랩(M3)의 결합부(M32) 끝단까지의 직경(Dm)은 제1플랩고정블록(191)이 베이스(180)의 하측 외주면(1801)과 접하는 외주면(1901)의 직경(De)보다 더 작게 정해진다. 이를 통해, 중앙부 플랩(M3)이 형성하는 압력 챔버(C1)가 팽창하더라도 그 끝단을 고정하는 제1플립고정블록(191)이 들썩이지 않고 제 위치를 유지할 수 있다.

여기서, 제2플랩고정블록(192)은 관통공(55)에 정압 또는 부압을 인가하는 길이 방향을 따라 하방으로 연장된 블록 연장부(1926)가 형성되어, 관통공(55)에 인가되는 정압 또는 부압을 안내하는 역할을 한다. 블록 연장부(1926)는 그 외주면과 제1플랩고정블록(191)의 내주면의 사이 공간에 중앙부 플랩(M3)의 연장부(M31)가 위치하도록 하여, 중앙부 플랩(M3)이 조립 과정에서 손상되거나 CMP 공정 중에 관통공(55)에 인가되는 정압이나 부압에 의해 떨림 현상이 발생되는 것을 최소화한다.

한편, 중앙부 플랩(M3)에 형성된 U자형태의 절곡부(M33)는 블록 연장부(1926)의 외주면과 제1플랩고정블록(191)의 내주면의 사이 공간에 배치된다. 이를 통해, CMP 공정 중에 중앙부 플랩(M3)이 일부를 형성하는 압력 챔버(C1)에 정압이 작용하여 압력 챔버(C1)가 팽창하여 절곡부(M33)가 펼쳐지는 경우에도, 중앙부 플랩(M3)의 절곡부(M33)가 2개의 플랩고정블록(191, 192) 사이에서 안전하게 보호되어, 예정된 형태로 절곡부(M33)가 펼쳐질 수 있도록 한다.

도4b에 도시된 바와 같이, 제2플랩고정블록(192)의 상측 중앙부에 링형(ring-shaped) 돌출부(192p)가 돌출 형성된다. 따라서, 제2플랩고정블록(192)은 베이스(180)의 단턱 수직면(1802)에 의해서도 그 위치가 고정되지만, 링형 돌출부(192p)를 감싸는 링(95)을 그 위에 설치함으로써, 제2플랩고정블록(192)의 위치를 보다 확실하게 고정할 수 있다. 그리고, 상기 링(95)은 연결 부재 홀더(170)에 의해 상방향으로의 이동이 구속된다. 이와 같이, 플랩고정블록(191, 192; 190)을 이용하여 중앙부 플랩(M3)의 위치를 고정함에 따라, 볼트 등의 체결 수단이 없더라도 중앙부 플랩(M3)을 잡아당기는 등의 작업을 하지 않더라도 그 위치를 정해진 자리에 확실하고 견고하게 고정할 수 있으므로, 멤브레인(M)을 베이스(180)에 고정하는 공정이 매우 단순화되고 짧은 시간에 이루어진다. 따라서, 캐리어 헤드(100)를 최초 조립하는 공정 뿐만 아니라, 수명이 다한 멤브레인을 교체하거나 멤브레인을 유지 보수하는 공정이 보다 간편해지는 잇점을 얻을 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법으로서, 멤브레인(M)을 베이스(180)에 위치 고정시키는 공정을 도5a 내지 도5e를 참조하여 상술한다.

단계 1: 먼저, 도5a에 도시된 바와 같이 캐리어 헤드(100)를 조립하고자 하는 작업대 상에 멤브레인(M)을 거치시킨다.

단계 2: 그리고 나서, 도5b에 도시된 바와 같이, 각 플랩에는 링형태의 결합 부재(88, 89)를 거치하여 둔다. 이 때, 각 플랩의 끝단은 결합 부재(88, 89)에 형성된 홈(88x, 891x, 892x, 893x)에 위치하도록 한다.

다만, 최외측 사잇 플랩(M44)와 근접 배치된 가장자리 플랩(M2)에 대해서는, 최외측 압력챔버(C4)의 공간이 좁으므로, 사잇 플랩(M41, M42, M43, M44) 중 외최측 사잇 플랩(M44)의 끝단(891)을 고정하는 결합 부재(891) 상에 결합 부재(892, 893)를 적층하여, 가장자리 플랩(M2)의 결합부(M22, M23)의 끝단을 각 결합 부재(891, 892)의 홈(892x, 893x)에 위치 고정한다. 단, 이 때, 가장자리 플랩(M2)의 상측 결합부(M22)는 상측이 개방된 홈(893x)에 위치하므로, 아직 위치 고정된 상태가 아니다.

단계 3: 그리고 나서, 도5c에 도시된 바와 같이, 결합 부재(88, 89) 상에 베이스(180)를 거치시키고, 각 결합 부재(88, 89)와 베이스(180)를 결합시킨다. 도면에는 볼트(78, 79)를 이용하여 결합한 구성을 예로 들었지만, 결합 부재(89)간에 또는 결합 부재(893)와 베이스(180)간의 결합은 끼워맞춤이나 핀 등 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있다. 이에 따라, 베이스(180)를 공중에 들면, 결합부재(88, 89)의 저면과 멤브레인(M)의 상면(M1u)은 서로 분리될 수 있는 상태가 된다.

단계 4: 그리고 나서, 도5d 및 도6에 도시된 바와 같이, 베이스(180)의 중앙부에 형성된 단턱(182)에 제1플랩고정블록(191)을 거치시킨다. 이에 따라, 중앙부 플랩(M2)의 결합부(M22)는 제1플랩고정블록(191)의 상면(191x)에 위치한다. 이 때, 제1플랩고정블록(191)은 그 외주면(1911)이 베이스(180)의 단턱(182)의 외주면(1801)에 허용 공차 범위 내에서 밀착된 상태이어서, 제1플랩고정블록(191)을 베이스(180)상에 거치하는 것만으로 설치하고자 하는 제 위치에 배치된다.

단계 5: 그리고 나서, 도5e에 도시된 바와 같이, 제1플랩고정블록(191) 상에 제2플랩고정블록(192)을 거치시킨다. 이에 의하여, 중앙부 플랩(M3)의 결합부(M32) 끝단은 제2플랩고정블록(192)의 수용홈(192x)에 수용되면서 그 위치가 고정된다. 그리고, 제2플랩고정블록(192)의 블록 연장부(1926)에 의하여 중앙부 플랩(M3)의 연장부(M31)의 일부와 절곡부(M33)은 관통공(55)에 정압 또는 부압을 인가하는 통로(1925)로부터 벗어나게 되므로, 항상 안정된 상태를 유지하면서 압력 챔버(C1)의 팽창과 수축에 따라 변형될 수 있게 된다.

단 계 6: 그리고 나서, 도4b에 도시된 바와 같이, 제2플랩고정블록(192)의 상측에 돌출 형성된 링형 돌출부(192p)를 감싸는 링(95)을 설치하여, 제2플랩고정블록(192)이 베이스(180)의 단턱 수직면(1802)의 내부에서 요동하는 것을 확실하게 방지한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드의 멤브레인(M)을 베이스(180)에 고정하는 조립 방법은 멤브레인(M)을 베이스(180)에 고정하기 위하여 어느 일측으로 잡아당기는 공정이 완전히 배제되므로, 멤브레인에 주름이 생겨 조립 공정이 지연되는 문제점을 완전히 해소할 수 있다. 또한, 관통공(55)을 감싸는 중앙부 플랩(M2)을 위치 고정함에 있어서, 2개의 링 형태의 플랩고정블록(191, 192)을 적층하는 것만으로도 위치 고정하므로, 짧은 시간에 멤브레인(M)을 고정할 수 있고, 동시에 멤브레인(M)의 교체나 유지 보수에 소요되는 시간도 단축할 수 있는 유리한 효과를 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: 본체
120: 연결 부재 120s: 구형부
130: 제1탄성링 140: 리테이너링 지지부
150: 제2탄성링 160: 고정 부재
170: 연결 부재 홀더 180: 베이스
W: 웨이퍼 M: 멤브레인
M1: 가압면 M2: 가장자리 플랩
M3: 중앙부 플랩 M4: 사잇 플랩

Claims (10)

1. 연마 패드 상에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고, 중심에 관통공이 형성되어 상기 웨이퍼에 직접 정압이나 부압을 인가하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드로서,
   상기 웨이퍼를 가압하는 가압면의 중심부에 상기 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 둘레를 감싸는 중앙부 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 가압면의 가장자리에 가장자리 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 중앙부 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성된, 탄성 소재로 제작되는 멤브레인과;
   상기 가압면의 상측에 배열되어 상기 사잇 플랩이 위치 고정되어, 상기 멤브레인과 함께 회전하고, 중앙 관통구에 단턱이 형성된 베이스와;
   상기 베이스의 상기 단턱의 상면에 거치되고, 상기 중앙부 플랩의 끝단이 위치하는 제1면이 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제1플랩고정블록과;
   상기 제1플랩고정블록 상에 적층되되, 상기 중앙부 플랩의 끝단을 상기 제1면과의 사이에 수용할 수 있는 수용홈이 링 형태로 형성되고, 중앙부가 관통 형성된 링 형태의 제2플랩고정블록을;
   포함하여 구성되어, 제1플랩고정블록과 제2플랩고정블록을 적층시키는 것에 의해 상기 중앙부 플랩을 위치 고정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2플랩고정블록은 상기 관통공의 길이 방향을 따라 하방으로 연장되되, 상기 중앙부 플랩의 일부 이상을 상기 제1플랩고정블록과의 사이에 위치시키는 블록 연장부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 중앙부 플랩은 'U'자 형태의 절곡부가 형성되고, 상기 절곡부는 상기 블록 연장부와 상기 제1플랩고정블록의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제2플랩고정블록은 상측 중앙부에 돌출된 링형(ring-shaped) 돌출부가 형성되어, 상기 링형 돌출부를 감싸는 링에 의해 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 중앙부 플랩의 끝단까지의 직경(Dm)은 상기 제1플랩고정블록이 상기 베이스 상에 거치되어 접하는 면의 직경(De)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가장자리 플랩 및 상기 사잇 플랩 중 어느 하나는 그 끝단이 상기 베이스에 결합되는 결합 부재의 사이에 끼워져 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드.
   
7. 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법으로서,
   웨이퍼를 가압하는 가압면의 중심부에 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 둘레를 감싸는 중앙부 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 가압면의 가장자리에 가장자리 플랩이 상기 가압면으로부터 링 형태로 연장 형성되고, 상기 중앙부 플랩과 상기 가장자리 플랩의 사이에 1개 이상의 사잇 플랩이 상기 가압면으로부터 연장 형성되고 탄성 소재로 제작되는 멤브레인을 작업면 상에 거치시키는 제1단계와;
   상기 사잇 플랩과 상기 가장자리 플랩 중 어느 하나 이상의 끝단이 결합 부재 상에 위치하도록 상기 결합 부재를 상기 멤브레인 상에 위치시키는 제2단계와;
   상기 결합 부재 상에 베이스를 위치시키고 상기 결합 부재와 상기 베이스를 결합하여, 상기 사잇 플랩과 상기 가장자리 플랩 중 어느 하나 이상의 끝단을 상기 결합 부재와 상기 베이스의 사이에 위치 고정시키는 제3단계와;
   상기 베이스의 중앙부의 단턱 상에 제1플랩고정블록을 거치시키는 제4단계와;
   상기 중앙부 플랩의 끝단을 상기 제1플랩고정블록 상에 위치시킨 상태로 제2플랩고정블록을 상기 제1플랩고정블록 상에 위치시켜, 상기 중앙부 플랩의 끝단을 위치 고정시키는 제5단계를;
   포함하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제2플랩고정블록은 상기 관통공의 길이 방향을 따라 하방으로 연장되되, 상기 중앙부 플랩의 일부 이상을 상기 제1플랩고정블록과의 사이에 위치시키는 블록 연장부를 더 포함하여, 상기 제5단계에 의해 상기 멤브레인의 상기 관통공에 인가되는 정압 또는 부압의 통로의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 제2플랩고정블록은 상측 중앙부에 돌출된 링형(ring-shaped) 돌출부가 형성되고, 상기 링형 돌출부를 감싸는 링을 상기 제2플랩고정블록 상에 위치시키는 제6단계를;
   더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법.
   
10. 제 7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙부 플랩의 끝단까지의 직경(Dm)은 상기 제1플랩고정블록이 상기 베이스 상에 거치되어 접하는 면의 직경(De)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 조립 방법.
    

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